“氪星”毁灭之际，一个名叫卡拉·佐·艾尔的小女孩，被母亲奥若拉送往地球去负责守护她的表弟卡·艾尔。那时候，早已成为英雄“超人”的卡·艾尔接待了她，并将她寄托给丹佛斯夫妇收养，而不再被使命肩负的卡拉也从此进入了人类生活。十二年后，卡拉在’国际城’中的’凯特国际媒体企业’当秘书。直到一天晚上，卡拉发现姐姐艾丽克斯所乘坐的飞机即将坠毁，在情急之下飞上了天空、将飞机平安迫降在水上。自从暴露自己的超能力，卡拉走向一条充满非凡历险的超级英雄之路。

卡拉自从化身为“女超人”开始尽力守护城市，却在码头失火中不慎引发了更大的灾难。与此同时，罗兹堡的一个逃犯“幼翅虫”开始在各个发电厂偷取氯元素来作为食物来源，艾丽克斯也被它抓走而被带到奥丝特拉的面前。卡拉急忙赶到后遇见奥丝特拉后大吃一惊，而奥丝特拉本来打算想以家人的身份来说服卡拉加入自己的行列，但卡拉直接拒绝了她而与她进行了一场恶斗。

卡拉将凯特的专车搬到城市后山和她进行一对一访问，却不慎将自己和超人是亲戚的事情说漏嘴。一个因为超人而失去妻子，外号“核能人”的班·克鲁尔知道了这个消息。克鲁尔身穿核能战衣偷袭了卡拉，但卡拉还是破坏了他的战衣而将他赶跑。卡拉跟踪他来到废车场与他再次交战却遭到击败。千钧一发之刻，她的哥哥“超人”来了！

一场针对罗德科技的炸弹袭击被卡拉化解后，艾丽克斯化身为联调局特工，试图说服麦斯推迟夜晚举行的动力火车剪彩仪式，但麦斯还是决定上场。当天晚上，放炸弹的凶手对机场和动力火车上都布下炸弹，汉克和艾丽克斯进入机场后发现炸弹的构造无法解除，而汉克只能清空场地后用自己隐藏的自身力量来解除了炸弹，并出去后称此枚只是哑弹。麦斯承认是自己自导自演了所有袭击，只是为了测试女超人的能力。当卡拉声言自己一定会揭发他而迅速飞离后，麦斯意洋洋地说好戏才刚刚开始。

凯特国际的电台播音员莱丝莉·威利斯由于在电台上嘲讽女超人而被凯特降职，被派到直升机上去播报路况，谁知直升机却因为雷电交加而即将撞向公司大楼。卡拉虽然及时到达，但也刚好和莱丝莉一同被闪电击中，使莱丝莉的身体与氪星人身体元素加上雷电混合，拥有了能够自由控制雷电的超能力。莱丝莉从医院醒来后，发现自己能用电能来去自由而化身成“电女郎”去向凯特报复，卡拉与她互相合作制服了莱丝莉。

露西邀请詹姆斯和自己父亲一起吃饭时，詹姆斯对于保护意识强而侮辱自己的山姆感到非常不满，但在晚饭后，红卷风却自行飞到他们面前，露西在受伤下被赶到的卡拉所救，但机器人还是制造了龙卷风走为上策。之后，艾丽克斯将机器人的断手带给麦斯去帮忙分析时，麦斯一眼认出红卷风其实只是遥控机器人，艾丽克斯于是推断是莫洛还在私下控制它、打算利用它来向山姆报复。于是，卡拉和艾丽克斯联手用山姆的影像引出红卷风，艾丽克斯一枪射杀了莫洛，而卡拉通过眼睛热能射线、耗尽全力才使得红卷风炸成灰烬。

卡拉发现自己由于和红卷风作战时耗尽了自身能量、而变成无超能力的普通人，于是只能等能量慢慢恢复前，度过一天普通的工作日。谁知，一场突如其来的地震席卷了整座国际城，而卡拉在各地都出现危机之下却爱莫能助。

卡拉与奥丝特拉在国际城空中对打时，卡拉抢先占上风之下击败了奥丝特拉，最后将她带回作战部关押起来。奥丝特拉在关押期间始终想利用奥若拉大义灭亲、将自己强行逮捕的事情来说服卡拉，卡拉一开始并不接受，后来亲口从母亲的影像口中得知了真相后大受打击。

卡拉与诺恩决斗时遭到击败，而诺恩也抓走了汉克作为交换人质的筹码，危机结束后，麦斯将所有作战部军队赶出了公司。艾丽克斯虽然在紧急协议下当上代理局长，但山姆却带队不打自招地指挥了作战部，在通过折磨奥丝特拉套出他们的藏身之处后立刻派兵去营救，却集体中了炸弹陷阱而失败。

温的亲生父亲、外号“玩具人”的犯罪天才温斯洛·肖特越狱脱逃，使得负责追缉他的联调局探员卡麦蓉·雀丝，打算利用温作为诱饵将他引出来。但第一场利用温去和父亲会面的追捕行动以失败告终，就连卡拉亲自上阵也让他在眼皮底下逃跑。

一名反对外星人的美国参议员米兰达·克莱恩莅临国际城，在发表《反外星人提案》的新闻发布会上，却遭遇了一只“白火星人”的袭击。卡汉克等人到场营救了米兰达，将她带回了作战部进行保护，却后来发现她是白火星人所变形的假货，于是在毫无准备下遭到它的攻击。

麦斯对神秘女子护理了整整三个月，最后将她和女超人的DNA以及红卷风的断手中元素合成，成功将她塑造成了一个女超人的复制体，让她拥有了和女超人完全相反的超能力。自从这位“假”女超人在桥上大闹一场后，凯特为事情做文章时将她命名为“异女超人”，而卡拉在应对和亚当的约会时、还要亲自出面和她对抗，和她打了一战后发现她和自己除了用词以外，和自己完全一模一样。

艾丽克斯、温与詹姆斯发现卡拉被一种称为“黑暗仁慈之花”的外星寄身物、困在了她内心中所渴望的一个梦境世界中：一个从来没有被毁灭的氪星。而被困在梦境世界中的卡拉，遇见自己的母亲奥若拉、父亲佐·艾尔、包括幼年时代的凯·艾尔，并开始陷进梦境世界中无法自拔。在现实世界中，所有人为了救卡拉而开始和时间赛跑，让汉克用变形能力伪装成卡拉去公司和凯特拖延时间，艾丽克斯则是被迫将关押的麦斯放出来，利用他研制的一种梦境共享仪器，进入卡拉的梦境中将她带回来。

诺恩突然来到卡拉家中要求她一同前去为奥丝特拉送行，对于一直对亲人之死一直耿耿于怀的卡拉，由于打击过大而无法接受汉克杀了她，却根本不知道真正动手的人是艾丽克斯。与此同时，一个来自于罗兹堡的外星狱警“狱卒大师”，在各地抓捕了一系列罗兹堡的外星逃犯后将其砍头处刑，并且由于遵守理念而打算处决一名犯下轻罪、伪装成一名人类教授的外星人时，卡拉独自过去和他打斗却遭到抓获。艾丽克斯带队去解救卡拉时，发现狱卒大师平常是伪装成一名人类警探，于是到他家查看后找到了他的藏身宇宙船，救出了卡拉后一起合作击败了他。

卡拉因为对汉克产生反感而自行退出了作战部，回到公司时都会被席芳抢走所有功劳，而凯特在当天收到一封匿名的检举一个不良网站的文件，却因为不相信而拒绝发布出去。当晚，寄出文件的电脑骇客以美女的形象出现在电视中，开始利用网络将整座城市的红绿灯与经济系统瘫痪。当卡拉、詹姆斯与温开始调查此事时，电脑骇客本人以真人的形象来到他们面前，而卡拉一眼就认出她是一个被关在罗兹堡的一个外星电脑“智囊团星人”，自称“靛青”。卡拉在无处可查下，詹姆斯将她带领至克拉克位于北极的秘密基地‘孤独堡垒’，通过机器人凯利斯提供的资料，得知靛青打算毁灭人类的企图。

凯特被请到访谈节目中谈论了女超人的英雄往事，卡拉发现露西已经辞去了工作，并发现席芳和温之间的关系。卡拉在一个火灾现场完成救援任务时，误触了现场中摆设的一个神秘红色物质而瞬间性情大变，从一个温顺有礼的女英雄变成了一个娇纵自大的叛逆女。卡拉自从故意放走一个外星逃犯后，以火辣的形象回到公司，听到席芳打算以发现这件事来证明自己，却不被凯特采信下决定将新闻透漏给星球日报来转去投靠他们。

暴乱事情过去一阵子后，卡拉以女超人的身份开始尽全力为自己正名，尽管处处碰壁但任然永不放弃。同时，由于汉克公开了自己是外星人的身份，使得整个作战部的所有人接受军事调查;而一位对外星人充满敌意的陆战队上校詹姆斯·哈柏协同著露西开始审问汉克。汉克在问话期间交代了自己流亡到地球之后所有经历，包括真正的汉克在当年是如何身亡的事情。

在万劫的影响下，国际城的所有市民都被诺恩与靛青掌控，就连身在作战部的露西等人、甚至超人本人都不例外。孤身一人的卡拉首次面对前所未有的孤独，却发现城市里唯独只有戴着抑制器的凯特与麦斯不受控制，而诺恩本人到场后解释万劫当初是由奥丝特拉为氪星所创造，打算靠强制型的“奴隶制”来避免星球上的子民们自我毁灭。一刻，诺恩为了让卡拉体验失去家人的感觉，控制着温、詹姆斯与一名女同事同时跳楼，卡拉救了温和詹姆斯却没有救到该名女同事。

当卡拉与遭受控制的艾丽克斯进行姐妹内战时，受伤的琼恩将伊莉莎带过来，让她以希望之词才让艾丽克斯清醒过来。众人之后决定通过直播女超人，以同样的方式传播了整座城市，而所有市民在希望之下全部恢复正常。隔天，所有遭受控制的人集体感谢了卡拉，同时也为曾经的失控行为向她致了歉。然而，诺恩在气急败坏下听从了靛青的提议，通过加大万劫信号来灭绝所有人类，计划完成使命后移居下一个星球统治。