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.

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.