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Nella Parigi dei giorni nostri, Diana Prince riceve dalla Wayne Enterprises una lastra fotografica che la ritrae insieme a quattro uomini durante la Prima Guerra Mondiale e che la spinge a ricordare il suo passato. Figlia della regina Ippolita, Diana è cresciuta sull'isola nascosta di Themyscira, dove vivono le Amazzoni, donne guerriere create dagli dei dell'Olimpo per proteggere l'umanità. Ippolita spiega a Diana la loro storia, compreso il fatto che Ares divenne geloso dell'umanità e ne orchestrò la distruzione. Quando gli altri dei cercarono di fermarlo, Ares li uccise tutti tranne Zeus, che usò l'ultimo dei suoi poteri per ferire Ares e costringerlo a ritirarsi. Prima di morire, Zeus lasciò alle Amazzoni un'arma, il "dio-killer", per prepararle al ritorno di Ares. Ippolita accetta con riluttanza di lasciare che sua sorella, il generale Antiope, addestri Diana come guerriera.

Nel 1918, Diana, ormai giovane donna, salva il capitano Steve Trevor, pilota statunitense, quando il suo aereo precipita al largo della costa di Themysciran. L'isola viene presto invasa dai soldati tedeschi che stavano inseguendo Steve. Le Amazzoni spazzano via la forza di sbarco tedesca a costo di gravi perdite, con Antiope che si sacrifica per salvare Diana. Steve viene interrogato con il Lazo di Hestia e rivela che una grande guerra sta consumando il mondo esterno e che lui è una spia alleata. Ha rubato un taccuino al capo chimico dei tedeschi, la dottoressa Isabel Maru, che sta cercando di progettare una forma più letale di gas mostarda agli ordini del generale Erich Ludendorff. Ritenendo che Ares sia responsabile della guerra, Diana si arma con la spada "ammazza-dio", il lazo e l'armatura prima di lasciare Themyscira con Steve per individuare e fermare definitivamente Ares.

A Londra, consegnano il quaderno di Maru al Consiglio Supremo di Guerra, dove Sir Patrick Morgan sta cercando di negoziare un armistizio con la Germania. Diana traduce gli appunti di Maru, rivelando che i tedeschi hanno intenzione di rilasciare il gas mortale sul fronte occidentale. Sebbene il suo comandante gli abbia proibito di agire, Steve, grazie a un finanziamento segreto di Morgan, recluta la spia marocchina Sameer, il tiratore scozzese Charlie e il contrabbandiere nativo americano Capo Napi per impedire il rilascio del gas. La squadra raggiunge il fronte in Belgio. Diana attraversa da sola la Terra di Nessuno e cattura la trincea nemica, liberando il vicino villaggio di Veld con l'aiuto delle forze alleate. La squadra festeggia brevemente, scattando una foto nel villaggio, dove Diana e Steve si innamorano.

La squadra viene a sapere che si terrà un gala presso il vicino Alto Comando tedesco. Steve e Diana si infiltrano separatamente alla festa; Steve intende individuare il gas e distruggerlo, mentre Diana spera di uccidere Ludendorff, credendo che sia Ares. Steve la ferma per non compromettere la sua missione, ma questo permette a Ludendorff di scatenare il gas su Veld, uccidendo i suoi abitanti. Incolpando Steve per essere intervenuto, Diana insegue Ludendorff in una base dove il gas viene caricato su un bombardiere diretto a Londra. Diana combatte e lo uccide, ma è confusa e disillusa quando la sua morte non ferma la guerra.

Sir Patrick appare e si rivela come Ares. Dice a Diana che, sebbene abbia sottilmente dato agli esseri umani idee e ispirazioni, alla fine sono loro a decidere di ricorrere alla violenza, perché sono intrinsecamente corrotti. Quando Diana tenta di uccidere Ares con la spada "ammazza-dio", lui la distrugge, dicendo a Diana che, in quanto figlia di Zeus e Ippolita, è lei l'"ammazza-dio". Non riesce a convincere Diana ad aiutarlo a distruggere l'umanità per ripristinare il paradiso sulla Terra. Mentre i due combattono, la squadra di Steve distrugge il laboratorio di Maru. Steve dirotta e pilota il bombardiere che trasporta il veleno a un'altitudine sicura e lo fa esplodere, facendo saltare in aria l'aereo e se stesso. Ares tenta di indirizzare la rabbia e il dolore di Diana per la morte di Steve convincendola a uccidere Maru, ma i ricordi delle sue esperienze con Steve le fanno capire che gli esseri umani hanno del buono dentro di loro. Risparmia Maru e reindirizza il fulmine di Ares su di lui, uccidendolo definitivamente. Più tardi, la squadra festeggia la fine della guerra.

Nel presente, Diana invia un'e-mail a Bruce Wayne ringraziandolo per la lastra fotografica di lei e Steve. Continua a combattere per il mondo come Wonder Woman.