Im Jahr 2014 rettet Diana den US-Piloten Captain Steven "Steve" Trevor vor einem Parademon-Angriff [N 1] und bringt ihn in eine Ausbesserungskammer, in der er mithilfe eines lila Heilstrahls vollständig geborgen wird. Dianas Mutter, Königin Hippolyta, nimmt Steve jedoch gefangen, weil seine Anwesenheit gegen das Kardinalgesetz "No Men" von Paradise Island verstößt, obwohl Steve darauf besteht, die Welt vor dem Einfall der Parademon zu warnen. Er wird später von Diana ausgebrochen, die ein Omen über eine jenseitige Invasion sieht, die durch seine Ankunft erfüllt wird. Als Hippolyta Steves Wiedereinkerkerung fordert, trotzt Diana ihr und kämpft gegen sie, bevor sie geht, um die Welt der Menschen zu schützen. Die herzzerreißende Hippolyta verleugnet sie. In Washington, DC, bringt Etta Candy Diana und Steve zu Dr. Julia Kapatelis. Diana trifft auch Julias Tochter Vanessa, die auf Diana eifersüchtig wird, weil ihre Eltern Diana mehr Aufmerksamkeit schenken als ihr. Mit der Zeit schützt Diana weiterhin die Männerwelt als Superheld unter dem Codenamen "Wonder Woman".
Fünf Jahre später trifft sich Diana mit Steve, Julia und Etta in der neu errichteten Justizhalle [N 2], wo Julia Diana um Hilfe bittet, um Vanessa zu finden, die beabsichtigt, ein Artefakt, das sie von Julias Vorgesetzter Veronica Cale gestohlen hat, gegen die Bösartigkeit einzutauschen Doktor Gift. Diana, Steve und Julia greifen in den Handel ein, werden jedoch von den Soldaten von Doctor Poison und ihrem Vollstrecker Giganta konfrontiert. Giganta injiziert sich ein mysteriöses Verbesserungsserum, um sich für einen Rückkampf zu stärken, wird aber letztendlich besiegt. Danach wird Julia während des Kreuzfeuers zwischen Steve und den Fußsoldaten tödlich erschossen, und Poison entkommt mit dem Artefakt. Vanessa macht Diana für den Tod ihrer Mutter verantwortlich, indem sie in ihr Leben kommt und flieht. Anschließend wird sie von Poison und Doctor Cyber angeworben, um sich einem Experiment zu unterziehen, das sie in Silver Swan verwandelt.
Mit einem von Etta bereitgestellten Stealth-Jet lokalisieren Diana und Steve Poison in Qurac, werden jedoch von Silver Swan konfrontiert, der Diana angreift. Silver Swan wird schnell besiegt, während Poison mit einem Prototyp einer Biowaffe flieht. Diana und Steve bringen den bewusstlosen Silberschwan zu Cale Pharmaceuticals, wo sie von Veronica empfangen werden. Diana glaubt, dass die Verwendung des lila Heilstrahls Silver Swan vor dem techno-organischen Virus retten kann, das ihre Kräfte verleiht, sie aber auch in einen Roboter verwandelt, aber sie erinnert sich aufgrund einer mystischen Sicherheitsmaßnahme nicht an den Standort von Themyscira. Cale zeigt ihnen Julias Büro, das auch nach Themyscira als Haustierprojekt suchte. Nachdem sie Julias Notizen durchgesehen haben, stellen sie fest, dass Diana Wasser aus einem Brunnen im Tempel von Pasiphaë trinken muss, um sich über den Ort zu informieren.
Diana, Steve und Etta reisen zum Tempel, wo sie von Cheetah konfrontiert werden, der für eine Organisation namens Villainy Inc. arbeitet, die von Poison und Cyber geführt wird. Während Steve und Etta den Tempel betreten, nimmt Cheetah eine rätselhafte Formel an, die der von Giganta ähnelt und ihr verbesserte körperliche Eigenschaften verleiht, sie aber auch tierischer macht. Steve und Etta betreten ein Labyrinth, wo sie mit einem Minotaurus konfrontiert werden. Diana benutzt ihr Lasso der Wahrheit, um den Geparden zu unterwerfen, und macht sich auf den Weg zu ihren Freunden in der Mitte des Labyrinths, wo sie das prophetische Wasser trinkt. Nachdem sie einen Blick auf Visionen erhalten hat, rührt sich der Minotaurus wieder. Als Diana merkt, dass die Kreatur verzaubert ist, um den Brunnen zu verteidigen, zerstört sie ihn. Dadurch wird der Minotaurus freigelassen, woraufhin Steve ihn "Ferdinand" nennt.
Das Trio kehrt zu Cale Pharmaceuticals zurück, um über Dianas Visionen nachzudenken. Dort teilt Veronica ihnen mit, dass Villainy Inc. die Konstruktionsentwürfe ihres Unternehmens gestohlen hat, um ihre Stärken und die Technologie, mit der Silver Swan entstanden ist, zu entwickeln. Mithilfe von Dianas Informationen aus den Visionen kann Veronica den Ort des Hauses von Wonder Woman genau bestimmen. Diese Informationen werden jedoch von Cyber abgefangen, der offenbart, dass ihre wahre Absicht darin besteht, die Technologie der Amazonen mit Gewinn zu stehlen. Cyber lässt Silver Swan wieder erwachen und Wonder Woman angreifen, während die anderen sich hastig zurückziehen, um dem von Cyber initiierten Verbrennungsprotokoll des Bodens zu entkommen, auf dem sie sich befinden. Wonder Woman unterwirft Silver Swan und schafft es zurück zum Gebäude, um Steve, Etta und Veronica zu retten, während Silver Swan wegfliegt. Mit den Informationen, die sie in der Hand erhalten haben, gehen Diana, Steve und Etta zur Vorbereitung in die Justizhalle und nehmen dann ihren Stealth-Jet in Richtung Themyscira.
Als sie dort ankommen, finden sie die Insel bereits unter Belagerung durch Villainy Inc. Silver Swan geht hinaus, um die Helden auf Cybers Befehl abzulenken, während Cyber und Poison ihre Endspielwaffe - Medusa - entfesseln, die durch ihre kombinierte Superwissenschaft wiederbelebt und gestärkt wird. Medusa weigert sich jedoch, sich ihnen zu unterwerfen und zerstört Cybers Automaten. Poison versucht, ihr eigenes Leben zu retten, indem sie Medusa die gleiche Ampulle anbietet, die Giganta und Cheetah eingesetzt haben, aber Medusa versteinert sie einfach und nimmt sie trotzdem. Medusa wächst zu monolithischen Ausmaßen und tobt mörderisch, versteinert und tötet zahlreiche Amazonen.
Nachdem Diana Silver Swan besiegt hat, eilt sie in den Kampf gegen Medusa. Steve versucht zu helfen, ist aber auch versteinert. Während des Kampfes wird Medusas Aufmerksamkeit von Silver Swan auf sich gezogen, wodurch Diana eine ihrer Serpentinenhaarspulen durchtrennen kann. Als die Gorgone sie dazu zwingt, ihrem Blick zu begegnen, benutzt Diana Gift aus dem Kopf der enthaupteten Schlange, um sich selbst zu blenden, sodass Wonder Woman Medusa frontal begegnen kann. Die wütende Monsterin schlägt ihren Gegner in den Boden, doch schließlich bewegt sich Dianas Selbstaufopferung zu ihrer Verteidigung. Gemeinsam schaffen sie es, Medusa zu töten und ihre Versteinerung von Steve und den überlebenden Amazonen rückgängig zu machen. Vanessa und Hippolyta versöhnen sich mit Diana, und alle Betroffenen werden mit dem lila Strahl geheilt. Danach erklärt Hippolyta Diana zur Championin von Themyscira und gibt ihre Entscheidung bekannt, Paradise Island wieder für die Außenwelt zu öffnen.
In einer Mid-Credits-Szene kehrt Diana nach Washington zurück und konfrontiert Cale, der sich als der wahre Anführer von Villany Inc. herausstellt und Rache schwört, bevor Diana ihr Schwert in Cales Schreibtisch steckt.