En el París actual, Diana Prince recibe de Empresas Wayne una placa fotográfica suya y de cuatro hombres tomada durante la Primera Guerra Mundial, lo que la lleva a recordar su pasado. Hija de la reina Hipólita, Diana se cría en la isla oculta de Temiscira, hogar de las Amazonas, mujeres guerreras creadas por los dioses del Olimpo para proteger a la humanidad. Hipólita explica a Diana su historia, incluyendo cómo Ares se puso celoso de la humanidad y orquestó su destrucción. Cuando los demás dioses intentaron detenerlo, Ares mató a todos menos a Zeus, que utilizó lo último de su poder para herir a Ares y forzar su retirada. Antes de morir, Zeus dejó a las amazonas un arma, el "mata dioses", para prepararlas para el regreso de Ares. Hipólita acepta a regañadientes que su hermana, la general Antíope, entrene a Diana como guerrera.

En 1918, Diana, ahora una mujer joven, rescata al piloto estadounidense Capitán Steve Trevor cuando su avión se estrella frente a la costa de Themysciran. La isla es pronto invadida por soldados alemanes, que habían estado persiguiendo a Steve. Las Amazonas acaban con la fuerza de desembarco alemana a costa de grandes pérdidas, y Antiope se sacrifica para salvar a Diana. Steve es interrogado con el Lazo de Hestia y revela que una gran guerra está consumiendo el mundo exterior y que él es un espía aliado. Ha robado un cuaderno de la química jefe de los alemanes, la Dra. Isabel Maru, que está intentando diseñar una forma más mortal de gas mostaza bajo las órdenes del general Erich Ludendorff. Creyendo que Ares es el responsable de la guerra, Diana se arma con la espada "mata-dioses", el lazo y la armadura antes de abandonar Themyscira con Steve para localizar y detener a Ares definitivamente.

En Londres, entregan el cuaderno de Maru al Consejo Supremo de Guerra, donde Sir Patrick Morgan está intentando negociar un armisticio con Alemania. Diana traduce las notas de Maru, revelando que los alemanes planean liberar el gas mortal en el Frente Occidental. Aunque su comandante le prohíbe actuar, Steve, con la financiación secreta de Morgan, recluta al espía marroquí Sameer, al tirador escocés Charlie y al jefe nativo americano Napi para que le ayuden a evitar la liberación del gas. El equipo llega al frente en Bélgica. Diana atraviesa sola la Tierra de Nadie y captura la trinchera enemiga, liberando el pueblo cercano de Veld con la ayuda de las fuerzas aliadas. El equipo lo celebra brevemente, haciéndose una foto en el pueblo, donde Diana y Steve se enamoran.

El equipo se entera de que se va a celebrar una gala en el cercano Alto Mando alemán. Steve y Diana se infiltran por separado en la fiesta; Steve pretende localizar el gas y destruirlo y Diana espera matar a Ludendorff, creyendo que es Ares. Steve la detiene para no poner en peligro su misión, pero esto permite a Ludendorff desatar el gas sobre Veld, matando a sus habitantes. Culpando a Steve por intervenir, Diana persigue a Ludendorff hasta una base donde el gas está siendo cargado en un avión bombardero con destino a Londres. Diana lucha y lo mata, pero se siente confundida y desilusionada cuando su muerte no detiene la guerra.

Sir Patrick aparece y se revela como Ares. Le dice a Diana que, aunque ha dado sutilmente ideas e inspiraciones a los humanos, es en última instancia su decisión recurrir a la violencia, ya que son inherentemente corruptos. Cuando Diana intenta matar a Ares con la espada "mata-dioses", él la destruye, diciéndole a Diana que, como hija de Zeus e Hipólita, ella misma es la "mata-dioses". No consigue convencer a Diana de que le ayude a destruir a la humanidad para restaurar el paraíso en la Tierra. Mientras ambos luchan, el equipo de Steve destruye el laboratorio de Maru. Steve secuestra y pilota el bombardero que transporta el veneno hasta una altitud segura y lo detona, haciendo volar el avión y a él mismo. Ares intenta dirigir la rabia y el dolor de Diana por la muerte de Steve convenciéndola de que mate a Maru, pero los recuerdos de sus experiencias con Steve hacen que se dé cuenta de que los humanos tienen el bien dentro de ellos. Perdona a Maru y redirige el rayo de Ares hacia él, matándolo para siempre. Más tarde, el equipo celebra el fin de la guerra.

En el presente, Diana envía un correo electrónico a Bruce Wayne agradeciéndole la placa fotográfica de ella y Steve. Sigue luchando por el mundo como Wonder Woman.