Ein Jahr nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs und dem Verlust ihres Freundes Captain America muss sich Agent Peggy Carter beim Strategic Scientific Reserve mit ihren sexistischen Kollegen, die ihr herabwürdigende Arbeiten auferlegen, auseinandersetzen. Peggy wird vom Waffenentwickler Howard Stark besucht, der wegen des Verkaufs von gefährlichen Militärwaffen auf dem Schwarzmarkt vom SSR gejagt wird und mit ihrer Hilfe seine Unschuld beweisen will, wofür er ihr seinen Butler Edwin Jarvis zur Verfügung stellt.

Nachdem er Agent Peggy Carter um Hilfe ersucht hat, wird dem Industriellen Howard Stark seine tödlichste Waffe entwendet. Agent Carter muss nun versuchen, sie wiederzubeschaffen, bevor SSR-Chef Dooley und Agent Thompson herausbekommen, dass sie undercover für Stark arbeitet. Außerdem sucht Peggy eine neue Unterkunft, befürchtet aber, Angie in Gefahr zu bringen, wenn sie zu ihr zieht.

Agent Peggy Carter will herausfinden, wie jemand in Starks Tresorraum eindringen konnte, um seine geheime Technologie zu stehlen. Bei ihren Nachforschungen hofft sie auf Hilfe von Edwin, den die SSR inzwischen allerdings mit der Explosion bei Roxxon in Verbindung gebracht und zum Verhör vorgeladen hat. Agent Carter gelingt es, das Verhör zu beenden. Gemeinsam mit Edwin untersucht sie nun die Kanalisation unter dem Tresorraum, wo die beiden tatsächlich auf eine Spur stoßen.

Peggy Carter trifft sich heimlich mit dem flüchtigen Howard Stark und zeigt ihm Fotos, die sie von seinen Waffen gemacht hat. Der Industrielle identifiziert darauf den sogenannten „Blitzkrieg Button“, eine Waffe, die angeblich in der Lage ist, die Stromversorgung einer ganzen Stadt zu unterbrechen. Doch Agent Carter findet bald heraus, dass Stark sie angelogen hat, und gerät dadurch in Lebensgefahr. Währenddessen reist Chief Dooley nach Europa und macht dort verstörende Erkenntnisse.

Agent Carter entschlüsselt eine codierte Nachricht, die über den Funkschreiber hereinkam, und erfährt dadurch, dass Stark auf einer Militärbasis der Sowjets Waffen an Leviathan verkaufen will. Chief Dooley setzt Thompson und Carter darauf an, den Deal zu verhindern. Dabei finden die beiden heraus, dass die Russen auf jener Basis auch junge Mädchen mittels Gehirnwäsche zu Killerinnen ausbilden, die als „Schläfer“ in die USA gebracht werden sollen.

Agent Peggy Carter ist davon überzeugt, dass es sich bei dem Spion, der Starks Technologie gestohlen hat, um eine Frau handelt. Gemeinsam mit Edwin verfolgt sie deren Spur. Sie ahnt nicht, dass ihre wahren Feinde ihr sehr viel näher sind, als sie sich vorstellen kann. Außerdem entdeckt sie die schockierende Wahrheit über die Geheimorganisation Leviathan. Währenddessen hat die SSR erfahren, dass Agent Carter Stark behilflich ist.

Die SSR-Kollegen verhören Agent Peggy Carter, als Edwin mit einer Mitteilung von Stark ins SSR-Hauptquartier kommt. Stark will sich freiwillig stellen, wenn Carter freigelassen wird. Die SSR geht auf den Vorschlag ein, entlässt aber Carter gleichzeitig aus dem Dienst. Doch als Carter Dooley und Sousa erklärt, Dr. Ivchenko plane einen Anschlag, gehen sie dem Verdacht nach.

Agent Carter versucht mit allen Mitteln zu verhindern, dass Dr. Ivchenko und Dottie Leviathans Plan in die Tat umsetzen, bei dem sie Starks geheime Technologie benutzen wollen. Thompson und Agent Carter glauben, dass ein Anschlag auf dem Times Square geplant ist. Derweil kehrt Howard Stark zurück. Doch bei einem Angriff auf seine Pressekonferenz wird er entführt.

Peggy Carter begibt sich von New York City nach Los Angeles, da der neue SSR-Chef Daniel Sousa um Verstärkung gebeten hat. Agent Carter soll ihm bei der Aufklärung eines mysteriösen Todesfalls helfen. Eine weibliche Leiche wurde in einem See gefunden, der während der Hitzewelle ausgetrocknet ist. Bei der Autopsie zeigt sich, dass der Körper in der Dunkelheit leuchtet. Agent Carter vermutet eine Verbindung zu einem früheren Fall rund um das Unternehmen „Isodyne Energy“ hin.

Jason Wilkes ist bereit, Agent Peggy Carter bei der Aufklärung des mysteriösen Todes einer Frau zu helfen, deren Leiche in einem See gefunden wurde. Wilkes erklärt Agent Carter, dass die Firma Isodyne versucht hatte, den Erfolg des Manhattan Projects zu wiederholen. Die Frau muss vor ihrem Tod mit gefährlichem Material in Berührung gekommen sein. Diese Entdeckungen könnten sowohl Agent Carters Karriere zerstören als auch fatale Folgen für alle Menschen in ihrem Umfeld haben.

Peggy (Hayley Atwell) sucht weiter nach der Wahrheit über Zero Matter und stößt in ihrem Mordfall auf zahlreiche Ungereimtheiten und Lügen, was sie auf einen Kollisionskurs mit ihren Vorgesetzten führt - und das erst recht, als auch noch Howard Stark (Dominic Cooper) dazwischenfunkt.

Agent Peggy Carter und ihre Kollegen von der SSR kommen dahinter, dass der Hollywood-Star Whitney Frost ein gefährliches Geheimnis versteckt und sie begreift, dass sie die gefährlichste Widersacherin ist, die sie je hatte.

Während die präzise Vorgehensweise von Edwin Jarvis und seine Fähigkeit, schnell zu denken, einer ultimativen Prüfung unterzogen werden, ist Peggy Carter vollauf damit beschäftigt, eine Atomexplosion zu verhindern, die ganz Kalifornien zerstören könnte.

Peggy Carter sieht ein, dass sie Wilkes ohne fremde Hilfe nicht retten kann.

Jarvis muss lernen, dass man keine zu großen Versprechen machen sollte.

Die SSR bekommt bei der Bekämpfung von „Zero Matter“ Schützenhilfe von Howard Stark, der auch daran arbeitet, diese Bedrohung ein für alle Mal aus der Welt zu schaffen. Währenddessen versuchen Agent Peggy Carter und Daniel Sousa, Whitney Frost zu einem Deal zu bewegen.

Peggy Carter versucht verzweifelt, Dr. Wilkes zu retten und Whitney Frost aufzuhalten. Jack verfolgt derweil einen eigenen Plan, um Whitney und Vernon Masters zur Strecke zu bringen. Allerdings funktioniert dies nicht wie erwartet. Jarvis macht Peggy ein überraschendes Geständnis. Schließlich ist es Thompson, der eine Wende vollführt, die zum Untergang aller beitragen könnte.

Um Zero Matter ein für alle Mal auszuschalten, braucht Agent Peggy Carter unbedingt Howard Stark als Verbündeten. Auf die beiden wartet eine Mission, die so gefährlich ist, dass es durchaus sein könnte, dass sie beide nicht mehr lebend daraus zurückkehren.