Di Kuala Lumpur, Yelena Belova menghancurkan sebuah laboratorium atas perintah Direktur CIA, Valentina Allegra de Fontaine, yang berusaha menghapus semua bukti keterlibatannya dalam proyek supermanusia milik Grup O.X.E. yang dikenal dengan nama 'Sentry.'

Saat de Fontaine menghadapi ancaman pemakzulan karena hubungannya dengan O.X.E. Group, ia mengirim Yelena, John Walker, Ava Starr, dan Antonia Dreykov, para agen yang pernah bekerja di bawah perintahnya, ke fasilitas rahasia milik O.X.E. dengan perintah saling membunuh. Dalam pertempuran yang terjadi, Ava berhasil membunuh Antonia, sementara seorang pria amnesia bernama Bob dilepaskan dari kapsul animasi tertangguh di ruangan tersebut.

Setelah menyadari bahwa mereka dikirim oleh de Fontaine untuk dimusnahkan bersama seluruh bukti kejahatannya, keempatnya memutuskan untuk bekerja sama dan melarikan diri dari jebakan itu. Saat Yelena dan Walker bersentuhan langsung dengan Bob, mereka berdua sempat mengalami penglihatan akan kenangan terburuk mereka.

De Fontaine kemudian mengetahui bahwa kelompok itu masih hidup, dan Bob ternyata adalah relawan yang sebelumnya dianggap tewas dalam uji coba proyek Sentry. Saat ia tiba di lokasi, Bob menciptakan pengalihan dengan menarik tembakan musuh, memungkinkan Yelena, Walker, dan Ava meloloskan diri.

Bob tidak terluka meskipun tertembak, namun kekuatannya membuat ia melayang tak terkendali ke udara, lalu jatuh keras kembali ke kompleks tersebut. Ia akhirnya ditangkap dan dibawa ke bekas markas Avengers di Manhattan yang kini berganti nama menjadi 'Watchtower.'

De Fontaine berencana memperkenalkan Bob kepada publik sebagai pahlawan super baru seperti Avengers, dengan harapan aksi tersebut dapat menyelamatkannya dari pemakzulan.

Sementara itu, Alexei Shostakov, sosok ayah bagi Yelena, yang tanpa sengaja mendengar rencana de Fontaine saat bekerja sebagai sopir lepas, datang menyelamatkan Yelena, Walker, dan Ava. Walker kemudian menyebut kelompok mereka sebagai 'Thunderbolts,' terinspirasi dari nama tim sepak bola masa kecil Yelena.