En 1947, à peine Peggy Carter a-t-elle enfin arrêté Dottie Underwood qu'elle est envoyée à Los Angeles rejoindre l'équipe de Sousa pour une nouvelle enquête : une femme a été retrouvée assassinée, faisant le lien avec une série de meurtres, mais cette fois, le corps est piégé dans l'eau gelée d'un lac. Carter retrouve Edwin Jarvis pour l'héberger et l’aider dans l'affaire.

Les alliés de Chadwick voient d'un mauvais œil l’enquête de la SSR et vont fermer Isodyne. Peggy parvient alors à convaincre le Dr Wilkes de révéler le grand secret du laboratoire, qui fascine tant le futur sénateur et sa femme, Whitney Frost.

Peggy veut découvrir les secrets d'Isodyne et l'élément zéro. Howard Stark se penche donc sur les découvertes et apporte sa notoriété pour ouvrir les portes du club de dirigeants qui complote avec Chadwick, déjà au travail pour étouffer l’affaire.

Whitney Frost ne se montre plus en public, sa cicatrice au front devenant de plus en plus grande à mesure qu'elle tue grâce à l’élément zéro, aussi préfère-t-elle se consacrer au contrôle de ses capacités. Peggy la recherche pour comprendre l'état de Wilkes et trouver un moyen de le ramener à un état tangible. Avec Jarvis, elle retrouve Rufus Hunt, l'homme qui l’a agressé, devant le bureau de vote de Chadwick et parvient non sans mal à le kidnapper. Sousa les surprend mais les couvre et participe à l’interrogatoire.

En entrant en contact avec un morceau d'élément zéro du corps de Jane Scott, le Dr Wilkes parvient à se connecter à elle, redevenir brièvement tangible et localiser l'emplacement de son corps. Quand Peggy s'y infiltre avec Jarvis, ils surprennent Frost et Chadwick, venus pour la même raison. Mais l'appétit de l’actrice pour l'élément zéro devient grand et elle veut reproduire le test nucléaire effectué par Roxxon pour essayer de recréer de l’élément zéro. 

Frost et le Conseil montent une couverture pour les morts des autres membres du Conseil, que la SSR refuse de croire. Frost fait de Manfredi son homme de main. Grâce à Ana Jarvis, Wilkes finalise sa chambre de confinement qui lui permet de redevenir tangible, une solution temporaire. Masters commence à interroger en vain Underwood, et Frost l'envoie récupérer l'uranium de Roxxon pour l’interroger elle-même et la torturer avec ses pouvoirs.

Ana survit à la balle mais elle ne pourra jamais avoir d'enfant. Frost veut convaincre Wilkes de participer au nouveau test nucléaire afin de créer à nouveau de l’élément zéro et contrôler ses pouvoirs. Carter et Sousa proposent d'échanger Wilkes contre l'uranium, ce que Frost accepte. Carter, Sousa et Thompson reçoivent de la part d'Howard Stark les plans d'un canon à rayons gamma capable de fermer la faille.

Carter et Jarvis s'échappent pendant que Sousa et Thompson retournent à la SSR. Manfredi cache Frost dans une usine abandonnée, où elle pourra tenter de récupérer l'élément zéro du corps de Wilkes. Thompson convainc Masters de se retourner contre Frost et utiliser le canon gamma pour elle, avant d'aller à la rencontre de Frost et lui révéler la trahison de Masters. Il souhaite en fait tuer Frost, Wilkes et Masters dans leur repaire, et retarde Carter et Sousa qui pourrait l'en empêcher. Quand Carter comprend les manigances de Thompson, elle demande à Samberly de fabriquer un brouilleur pour le détonateur. Elle infiltre ensuite le bâtiment pour libérer Wilkes, mais il choisit de rester, conscient de la dangerosité de son état. Thompson force Samberly à éteindre le brouilleur, alors que Frost commence à tuer Masters et que Wilkes relâche l'élément zéro qu'il possède.

Wilkes est dorénavant redevenu normal et n'a plus aucune tracé d'élément zéro dans son organisme. Whitney par contre est devenue puissante. Sousa, Carter et Jack pénètrent dans l'usine et s'enfuient avec le scientifique qui est mal en point pour être sauvé par Jarvis et Howard Stark qui emboutissent Whitney avec leur voiture. La criminelle retourne chez Manfredi et s'enferme dans sa chambre pour élaborer les plans d'une machine trans-dimensionnelle qui ouvrirait une faille dans la dimension zéro. Pendant ce temps, chez Stark, les agents de la SSR et les scientifiques essayent de trouver un moyen de contrer la menace de Whitney. Manfredi, qui est très inquiet à son sujet, vient demander l'aider de Peggy et ses amis, étant une vieille connaissance de Stark. Alors que le truand fait diversion avec Whitney afin qu'elle laisse sa chambre vide, Peggy et Sousa font des photos de son invention. Jack fait une découverte dans l'attache-case de Vernon Masters, une clé spéciale laissée par le conglomérat des anciens alliés de Whitney.