Als sich am Grund des Atlantischen Ozeans Risse auftun, findet eine außerirdische, riesenhafte Spezies darüber einen Weg an die Oberfläche. Als sie die Ostküste der USA attackiert und die Menschen beinahe verloren sind, sehen sich die Militärs zu einem gewagten Schritt gezwungen. Ein bisher geheimes Projekt, in dessen Zentrum überdimensionale Kampfroboter stehen, wird von ihnen als einziger Ausweg gesehen. Sie rekrutieren einige humane Kämpfer, die diese mechanischen Tötungsmaschinen führen und das Monster vernichten sollen. Allerdings handelt es sich bei den Robotern bisher nur um Prototypen.

Im kalifornischen Küstenstädtchen San Benito soll die erfahrene Indizienexpertin Cassie Mayweather den rätselhaften Tod einer jungen Frau aufklären. Zunächst sieht es so aus, als ob es sich um das Opfer einer sinnlosen Gewalttat handelt. Obwohl es kaum Indizien gibt, entwickelt Cassie intuitiv eine bizarre Theorie. Die junge Frau musste nur deswegen sterben, weil der Mörder es darauf angelgt hat, den perfekten Mord zu begehen. Cassies neuer Kollege Sam Kennedy drängt sie, weiterhin systematisch den Hinweisen vom akribisch untersuchten Tatort nachzugehen. Aber sie vertraut unbeirrt ihrem Gefühl und spürt tatsächlich zwei Verdächtige auf. Doch die haben ein wasserdichtes Alibi...

Bei einem Einsatz wird die Kree-Soldatin Vers (Brie Larson) von den Skrull gefangengenommen. Als die Gestaltenwandler auf Anweisung ihres Kapitäns Talos (Ben Mendelsohn) versuchen, mit einer Maschine Informationen aus dem Gehirn ihrer Geisel herauszuziehen, kann Vers mit einer Fluchtkapsel entkommen, woraufhin sie anschließend in den USA der 1990er Jahre durch das Dach einer Videothek kracht. Während die S.H.I.E.L.D.-Agenten Nick Fury (Samuel L. Jackson) und Phil Coulson (Clark Gregg) erst einmal alles daransetzen, die vermeintliche Außerirdische zu fangen, findet Vers schon bald heraus, dass sie offenbar schon einmal auf diesem Planeten war und unter dem Namen Carol Danvers als Kampfpilotin für das US-Militär gearbeitet hat...

Ein Jahr nach den Anschlägen vom 11. September beteiligt sich die CIA-Analystin Maya an der Jagd auf den Terroristen Osama bin Laden. Es wird eine zermürbende, jahrelange Suche nach Hinweisen, bin Ladens Kontaktmännern und seinem Aufenthaltsort. Das Ganze wird begleitet von vielen Rückschlägen und sogar dem Tod einer engen Kollegin Mayas - bei einem Treffen mit einem Bin-Laden-Informant wird sie Opfer eines Bombenattentats. Immer fanatischer stürzt sich Maya in die Suche, bis sie den richtigen Treffer landet: Alles deutet darauf hin, dass sich bin Laden in einem Anwesen im pakistanischen Abottabad versteckt. Und Maya bekommt von ganz oben das "Go" für die Operation "Neptun's Spear", die in der Nacht vom 2. auf den 3. Mai 2011 um 00.30 Uhr, "Zero Dark Thirty", stattfindet.

San Diego, 1973: Der 15-jährige William träumt davon, eines Tages ein großer Rock-Kritiker zu werden - obwohl oder gerade weil seine Mutter hinter dieser Musik nur Drogen und zügellosen Sex wittert. Da bekommt der schüchterne Teen vom Rolling Stone Magazine unverhofft ein Traumangebot: Er soll die aufstrebende Band Stillwater auf ihrer "Almost Famous"-Tour begleiten. Dabei lernt er nicht nur das Leben auf der Überholspur sondern auch Penny Lane kennen, die allerdings nur Augen für den charismatischen Gitarristen Russell hat...