电影开场，卡西利亚斯（麦斯·米科尔森饰）率领信徒突袭神秘圣殿，盗走禁忌典籍。黑暗中传来警告的低语，黄袍守护者突然现身拦截。一场颠覆物理法则的维度之战在伦敦街头爆发，卡西利亚斯最终带着残页遁入黑暗。
纽约手术室里，神经外科专家史蒂芬·斯特兰奇（本尼迪克特·康伯巴奇饰）刚完成一例高风险手术。当克里斯汀·帕尔默（瑞秋·麦克亚当斯饰）告知他接诊了一位脑死亡枪伤患者时，这位傲慢的天才医生不顾同事劝阻执刀手术，竟奇迹般让患者康复。精密如机械的双手再次证明了他的非凡才华。
庆功演讲途中，斯特兰奇边飙车边查看病历的致命疏忽，让兰博基尼冲出盘山公路。从昏迷中醒来时，那双价值连城的手已布满颤抖的疤痕。即便耗尽家财尝试尖端疗法，甚至失去帕尔默的陪伴，曾经掌控生命的手如今连咖啡杯都握不稳。
转机出现在物理治疗室——有人提起瘫痪后神秘康复的乔纳森·潘伯恩。追寻线索的斯特兰奇来到加德满都的卡玛泰姬，却被卷入巷战。神秘法师莫度（切瓦特·埃加福特饰）的及时出现，将他引向古一尊者（蒂尔达·斯文顿饰）。当古一将他灵魂击出肉身，多重维度的瑰丽奇观彻底撕裂了他的科学认知。
藏书阁里，王（本尼迪克特·王饰）警告他不得触碰禁区典籍，那些被卡西利亚斯盗走的书页记载着逆转时间的禁忌法术。训练中屡屡受挫的斯特兰奇，被古一传送到珠峰之巅。在零下40度的死亡威胁下，他13分钟内顿悟了空间传送，证明自己非凡的魔法天赋。
暗中研习灵魂出窍的斯特兰奇，意外发现古一汲取黑暗维度的秘密。正当师徒对峙时，卡西利亚斯突袭伦敦圣所。悬浮斗篷择主护体，带领斯特兰奇见识到法器认主的奇妙。濒死之际，他穿越空间回到纽约医院，灵魂状态下的手术室搏杀堪称全片最富创意的战斗场景。
香港圣所的终极决战中，斯特兰奇祭出时间宝石，在无限循环的死亡谈判里逼退多玛姆。当卡西利亚斯信徒化作星尘时，莫度却因自然法则被破坏愤然离去，埋下续集伏笔。片尾彩蛋中，雷神突然造访纽约圣所，阿斯加德兄弟的寻父之旅将开启新的传奇。
这部漫威电影以视觉革命重新定义魔法战斗——折叠的城市、镜像空间、分形维度，每一帧都燃烧着经费的芳香。斯特兰奇的成长弧光尤为动人：从傲慢天才到守护法师，最终明白"英雄不是完美无缺，而是明知恐惧仍选择担当"的真谛。