Das Jahr 1946 bringt für Peggy Carter (Hayley Atwell) entscheidende Einschnitte. Als die Männer nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs heimkehren, gerät sie an den Rand ihrer Forschungseinrichtung "Strategic Scientific Reserve". Nun muss sie ihrem eintönigen Schreibtischjob auf der einen Seite bewältigen, jedoch ebenso geheime Missionen für Howard Stark (Dominic Cooper) durchführen - und all dies in einer Männerdomäne. Angetrieben wird sie von der festen Überzeugung, die Welt dadurch Stück für Stück sicherer zu machen. Mit ihren zahlreichen Problemen steht sie aber nicht allein da, auch ihr Boss Roger Dooley (Shea Whigham) muss Privatleben und Karriere ins Gleichgewicht bringen, während Agent Jack Thompsen (Chad Michael Murray) ihm seinen Job streitig machen will, wohingegen Agent Edward Hutchins sein Doppelleben vor seiner Gattin geheim zu halten versucht. Einen wahren Freund findet Agent Carter dafür in Daniel Sousa (Enver Gjokaj). Darüber hinaus hat sie aber auch nach wie vor mit dem Verlust der Liebe ihres Lebens, Steve Rogers alias Captain America, zu kämpfen und muss sich dabei als alleinstehende Frau in Amerika behaupten.