Durant une mission au Moyen-Orient, l'espion britannique Harry Hart et presque tous ses agents échappent à la mort grâce au sacrifice de l'un de ses agents. À son retour en Angleterre, il tente de réconforter la veuve de celui-ci. Mais la femme est inconsolable et refuse le cadeau que Harry lui offre ; aussi donne-t-il la médaille de bravoure à son jeune fils, Gary « Eggsy » Unwin, laquelle comporte un numéro de téléphone, à utiliser avec un mot de passe.
Dix-sept ans plus tard, le professeur James Arnold est kidnappé par les sbires de Richmond Valentine, un riche homme d'affaires. Au cours de cet affrontement, l'agent Lancelot est tué. Cet agent, tout comme Harry Hart, fait partie d'une agence d'espionnage nommée Kingsman, dont le quartier général est situé dans la boutique d'un tailleur. L'agence doit alors trouver un remplaçant à Lancelot selon la coutume : chacun des agents de Kingsman doit envoyer une personne pour qu'il candidate au remplacement du défunt, un seul pouvant être retenu. C'est alors que le jeune Eggsy appelle à l'aide Harry Hart, grâce au numéro de la médaille de bravoure. Celui-ci décide d'envoyer Eggsy comme novice.
Au cours de la première nuit de l'entrainement dirigé par l'agent Merlin, Eggsy, qui se lie d'amitié avec Roxanne « Roxy », échappe à une noyade mais n'empêche pas, comme ses condisciples, la mort d'une de leurs coéquipières. Le lendemain, les novices, qui aspirent tous à devenir Lancelot, doivent choisir un chiot. Roxy décide de prendre un caniche pour plusieurs raisons dont la facilité à le dresser et Eggsy choisit un carlin, pensant que c'était un bulldog qui grandirait.
En parallèle, les kingsmen doivent déjouer un complot mondial. Harry interroge violemment le professeur Arnold, qui semble ne jamais avoir été kidnappé. Mais celui-ci meurt en explosant et laisse Harry dans le coma. Ce dernier se réveille le matin où Valentine annonce mondialement qu'il offre des cartes SIM qui permettent d'accéder gratuitement à son réseau téléphonique et à Internet.
Lors de l'entrainement, les six derniers candidats sautent en parachute. L'épreuve consiste à sauter dans le vide et ouvrir leur parachute suffisamment tard pour ne pas être détecté par un radar. Alors que tout le monde profite de l'expérience, Merlin demande ce qu'il adviendrait si l'un d'entre eux n'avait pas de parachute. Eggsy fait preuve d'initiative et d'esprit de corps, et tous s'en sortent indemnes,. Cependant, lorsque Eggsy, qui est le seul à ne pas avoir ouvert son parachute, demande à Merlin pourquoi il devait être sacrifié, il se fait ouvrir un parachute. Pour résumer, tout le monde en avait un. Lors de cette épreuve, trois des novices partent en laissant Roxy, Eggsy et Charlie.
La même journée, les trois derniers candidats essayent de plaire à une fille dans un club en essayant des techniques apprises lors de l'entrainement. Les trois jeunes se font droguer par un inconnu et se retrouvent attachés séparément sur les rails d'un chemin de fer. Le kidnappeur leur demande tour à tour le nom du chef de Kingsman sous peine de se faire écraser par un train en approche. Tout est en fait un test, réussi par Eggsy et Roxy qui n'ont pas révélé l'identité d'Arthur, soit Chester King. Charlie quant à lui choisit de trahir l'agence, et se fait donc renvoyer chez lui.
Comme dernière épreuve, Roxy et Eggsy doivent abattre leur chien. Ils sont dans des salles différentes et Roxy finit par le faire. Eggsy, ayant renoncé à tirer sur JB (pour Jack Bauer), son carlin, se fait renvoyer et décide, en voyant l'?il au beurre noir de sa mère, d'aller combattre son beau-père qui en est responsable. Harry, qui a enquêté sur Valentine pendant ce temps, l'en empêche et l'amène chez lui. Il avoue sa déception et annonce qu'il s'agissait de balles à blanc et que l'agence n'avait pas l'intention de tuer réellement le chien. Il avoue aussi que la jeune fille qui est décédée d'une noyade lors de la première épreuve n'était qu'une employée de Kingsman. Pendant la conversation, Harry doit partir pour le Kentucky pour une mission.
Richmond Valentine, qui a auparavant tenté de résoudre le problème du changement climatique sans réussir, décide de réduire drastiquement la présence des humains sur la Terre. Il compte utiliser ses cartes SIM gratuites ; elles possèdent une fonction cachée permettant de lever les inhibitions des personnes et excitant les centres d'agressivité. Une fois activées, les gens alentour s'entre-tuent. C'est ainsi que Harry décime les fidèles d'une église, et est tué ensuite par l'équipe de Valentine.
C'est à Lancelot et Eggsy qu'il revient d'empêcher le projet criminel de Valentine.
Deux ans après les événements cataclysmiques qui ont ravagé New York5, Steve Rogers vit désormais à Washington, D.C, où il s'efforce de s'adapter au monde moderne.
Pendant son jogging, Steve rencontre Sam Wilson, un ancien militaire qui occupe un poste administratif et aide les vétérans à se réintégrer. Alors qu'ils sympathisent, Natasha Romanoff arrive et emmène Steve en mission : ils doivent sauver les otages d'un bateau du SHIELD qui a été détourné par George Batroc, un criminel français. Captain America, l'agent Rumlow, Romanoff et leurs hommes se battent contre les pirates et sauvent les otages. Mais il s'avère que Natasha a également accompli une mission secrète du SHIELD : récupérer des données stockées dans un ordinateur sur le navire.
Plus tard, Nick Fury découvre que les données sur la clé USB lui sont inaccessibles. Après avoir été attaqué sur la route et sévèrement blessé, il se rend chez Steve, lui donne la clé USB et lui dit de ne faire confiance à personne. Il prend alors une balle tirée par un tueur mystérieux, que Steve poursuit brièvement avant qu'il ne lui échappe.
Alors que Nick est opéré, Natasha révèle à Steve que l'homme qui a tiré sur Nick est surnommé le Soldat de l'Hiver, mais qu'elle le considérait comme une légende étant donné la difficulté du SHIELD à l'appréhender. Nick décède un moment plus tard, les chirurgiens n'ayant pas réussi à le sauver, et son corps est emmené par Maria Hill.
Le directeur Alexander Pierce, un haut gradé du SHIELD, demande à Steve pour quelle raison Fury se trouvait chez lui. Comme Steve refuse de lui répondre, Pierce le considère comme un traître, et de nombreux agents du SHIELD se lancent à sa poursuite. Il réussit à s'échapper avec Natasha. En analysant les données de la clé USB, ils trouvent un bunker dans le New Jersey, dans lequel se trouve un ordinateur qui a conservé la conscience d'Arnim Zola, le scientifique qui travaillait pour Crâne Rouge pendant la Seconde Guerre Mondiale. Capturé par l'armée américaine avant la fin de Crâne Rouge, il a travaillé pour le SHIELD et a aidé à l'infiltration d'agents de l'HYDRA depuis sa création. Alors que le bunker est détruit par un missile, Steve et Natasha réussissent à s'échapper.
Rejoints par Wilson qui a récupéré un exosquelette lui permettant de voler, le groupe comprend que l'agent Jasper Sitwell est une des taupes de l'HYDRA et l'interrogent. Il leur révèle que grâce à l'esprit de Zola, l'HYDRA a développé un algorithme permettant de repérer toute personne représentant une menace, potentielle ou réelle, pour l'HYDRA, et qu'ils comptent les exterminer grâce aux trois nouveaux héliporteurs du SHIELD, qui sont capables de verrouiller des cibles bien précises. Ils sont ensuite attaqués par le Soldat de l'Hiver et ses hommes ; au cours du combat, Steve parvient à lui retirer son masque et reconnaît Bucky, son ami d'enfance, laissé pour mort lors de la Seconde Guerre Mondiale. Bucky ne reconnaît cependant pas Steve, et s'apprête à le tuer, mais il est neutralisé par Natasha et Sam, avant que le SHIELD n'arrive sur les lieux et ne les arrête tous les trois.
Ils sont cependant exfiltrés par l'agent Maria Hill, qui les mène à Fury (ce dernier avait simulé sa mort). Il s'avère qu'après sa chute dans les montagnes suisses, Bucky avait été récupéré par Zola, qui lui a lavé le cerveau et l'a muni d'un bras cybernétique. Quant à Pierce, il est en réalité à la tête de l'HYDRA. Hill fournit des clés numériques pour désactiver les trois héliporteurs.
Alors que les membres du Conseil de Sécurité Mondiale se rendent au quartier général du SHIELD, Steve diffuse un message pour dévoiler la présence de l'HYDRA dans l'organisation. Le chaos se déclenche alors, et les agents de l'HYDRA combattent alors ceux du SHIELD, dans la confusion la plus complète. Captain America et le Faucon réussissent à désactiver deux héliporteurs, mais le Soldat de l'Hiver détruit l'exosquelette du Faucon et combat Steve sur le troisième. Steve réussit cependant à désactiver le dernier, et l'agent Hill les réoriente les uns sur les autres.
Steve finit par raisonner Bucky et ce dernier le sauve alors que l'héliporteur sombre dans l'océan. Pierce est abattu par Fury. Toujours officiellement mort, Fury décide ensuite de se rendre en Europe de l'Est pour arrêter les derniers agents de l'HYDRA, tandis que Steve et Sam décident de partir à la recherche de Bucky.
Après le générique, on voit le baron Strucker, désormais aux commandes de l'HYDRA, qui a récupéré le sceptre de Loki et qui retient prisonniers Vif-Argent et la sorcière Rouge? À la toute fin, on voit Bucky visiter l'exposition sur Captain America et enfin comprendre le lien qui les unit.
En 2028, la technologie robotique de l'OmniCorp, conglomérat militaro-industriel, est à la pointe du progrès. Non content de vendre des drones et autres robots militaires, comme le « ED 209 », lors de conflits, la société désire rentrer dans le marché de la sécurité publique mais les dirigeants sont hésitants à vouloir tester cette technologie sur le sol américain pour protéger les citoyens. La loi Dreyfuss interdit l'usage de robots sur le sol des États-Unis.
Alex Murphy est un père de famille aimant et un bon policier qui fait son possible pour éliminer le crime à Détroit, dans l'État du Michigan. Suite à l'explosion de son véhicule piégé, son corps est gravement mutilé et brûlé à 80 %. Murphy est cependant sauvé par OmniCorp et le docteur Dennett Norton, qui utilise son savoir scientifique pour le remettre sur pied : il est transformé en machine, un cyborg du nom de RoboCop spécialement programmé pour rétablir la justice grâce à des méthodes expéditives. L'usage de cyborgs n'étant pas couvert la loi Dreyfuss, RoboCop peut être utilisé. L'intérêt pour OmniCorp est de faire évoluer l'opinion des citoyens sur l'usage des robots, ce qui permet ensuite de pousser l'abrogation de la loi Dreyfuss.
Avant de mettre RoboCop dans la rue, il subit divers tests. Son efficacité est inférieure à celle des robots préexistants, à cause de la partie organique : peur, l'instinct, le préjugé, compassion retardent les prises de décisions. Dennett opère alors le cerveau pour qu'en situation de combat, ce soit l'ordinateur plutôt que la partie organique qui prennent les décisions. Dennett fait en sorte que la partie organique ait l'illusion de prendre elle même les décisions. Cette intervention rend RoboCop aussi efficace qu'une machine.
Lorsque les concepteurs sont satisfaits des résultats de RoboCop, ils préparent une conférence de presse. Peu avant le début, Dennett transfert toutes les données de la police de Detroit dans RoboCop, ce qui inclue l'historique vidéo des cameras de surveillance. Lorsque RoboCop reçoit la vidéo de l'explosion de son véhicule, il se met à dysfonctionner. Pressé par la conférence de presse qui doit débuter, Dennett évacue la dopamine et la noradrénaline de RoboCop. Ses émotions disparaissent, RoboCop reste sous contrôle.
Dans la rue, RoboCop fait rapidement baisser le taux de crime de 80 %. L'opinion publique, précédemment très favorable à la loi Dreyfuss, devient plus mitigée. Le taux de dopamine et de noradrénaline de RoboCop revient à la normal, et il se met à enquêter sur son agression. Il tue le responsable, et prouve que deux policiers sont corrompus. Un des deux policiers dénonce alors la chef de la police. RoboCop tente alors d'obtenir des aveux de la chef sous la menace d'une arme. Il est désactivé avant de les obtenir, de peur qu'il la tue et de provoquer ainsi un tollé général.
RoboCop devient un héros, mais les dirigeants de OmniCorp commencent à redouter qu'il s'intéresse à leur propres agissements. La décision de le tuer est prise. Dennett découvre cette décision, et s'y oppose en informant RoboCop, et en lui retirant le transmetteur qui permet de le contrôler. RoboCop va alors arrêter le dirigeant d'OmniCorp pour tentative de meurtre.
David Dunn (Bruce Willis), un banal gardien de sécurité de Philadelphie, est le seul survivant d'une catastrophe ferroviaire. À la grande surprise des autorités et des médias, l'homme s'en sort indemne, sans la moindre blessure ou traumatisme. Troublé par cet événement, Dunn entre dans une crise d'identité. Qui est-il ? Pourquoi a-t-il survécu ? C'est en quête de réponses qu'il rencontre Elijah Price (Samuel L. Jackson), un handicapé misanthrope frappé d'ostéogenèse imparfaite.
New York, 1995. Un magasin est soufflé par l'explosion d'une bombe. L'attentat est revendiqué par un inconnu se faisant appeler Simon. Celui-ci exige que le lieutenant John McClane, alors suspendu de ses fonctions, se livre à un périlleux « Jacques a dit2 » à travers toute la ville. S'il n'obéit pas aux directives de Simon, d'autres bombes exploseront. Zeus Carver, un électricien et antiquaire afro-américain que McClane a rencontré à Harlem, est embarqué contre sa volonté dans cette journée infernale.