1995年，娜塔莎·罗曼诺夫和叶琳娜·贝洛娃被她们的养父母，也就是有“俄罗斯版美国队长”之称的“红色守卫”艾列谢·肖斯塔科夫和前“黑寡妇”梅丽娜·沃斯塔科夫（英语：Iron Maiden (comics)）从美国俄亥俄州的家中带走，并将装有神盾局资料的磁盘片带给红室（英语：Red Room (comics)）的首领德雷科夫，而养父母的任务也随之结束。之后，娜塔莎与叶琳娜被送进红室接受进一步的训练。
2016年，娜塔莎因违反了索科维亚协议（英语：Sokovia Accords）而被美国政府通缉[d]。流亡中的娜塔莎于是前往挪威一处安全屋，与线人瑞克·梅森（英语：Agent (comics)）汇合，躲避美国国务卿撒迪厄斯·罗斯的追捕。另一方面，如今仍在为红室卖命的叶琳娜奉命暗杀一名前黑寡妇，在执行任务的过程中接触到一种解毒剂，消除了红室对她的控制。叶琳娜将这款解毒剂寄到娜塔莎的庇护所，希望她能回来帮助解救其他的黑寡妇。
娜塔莎不知道放在后车厢的箱子里有解毒剂，她开车到市区要买燃料，遭到同样也在查找这款解毒剂的模仿大师袭击。娜塔莎成功躲避模仿大师的追击，同时发现解毒剂是叶琳娜送来的。两人在匈牙利布达佩斯重逢，会面期间出现了其他黑寡妇。在逃跑的过程中，娜塔莎了解到红室仍在运作，而且红室的领导者德雷科夫将军（英语：Dreykov）仍在世。娜塔莎之前为了加入神盾局，曾将德雷科夫与小女儿安东尼娅连同他们的寓所一同炸掉，一直以为这样一来两个人应该没法活下来，从而完成必须杀死德雷科夫的任务。之后娜塔莎和叶琳娜成功逃离模仿大师的追击，与梅森汇合，乘坐直升机离开。
娜塔莎和叶琳娜帮助艾列谢越狱，希望对方能透露出德雷科夫的位置，对方表明自己并不知道，并让她们去找梅丽娜，三人前往她现在隐居的一处农场。梅丽娜曾经研发心灵控制术掌控黑寡妇。叶琳娜说他们虽然不是自己的家人，但自己已经把他们当成家人，而艾列谢和梅丽娜也表示很想当两个女孩做家人。梅丽娜将他们的位置透露给德雷科夫，德雷科夫的手下抵达，将两人抓到位于一座空中基地的红室。
德雷科夫祝贺梅丽娜帮他找到两人，后却揭露梅丽娜和娜塔莎使用面罩技术在农场中互换身份，从而自投罗网。娜塔莎意识到模仿大师就是其女儿安东尼娅，安东尼娅在那次爆炸中严重受伤，德雷科夫不得不在她的头里放了一颗芯片来辅助她，同时把她打造成超级完美的战士。德雷科夫派安东尼娅去收拾艾列谢和梅丽娜。娜塔莎还发现包括自己在内的所有黑寡妇都被植入了費洛蒙锁，她无法伤害德雷科夫，德雷科夫则表示自己用控制台就可以掌控全世界的黑寡妇。娜塔莎故意撞断自己的鼻腔神经，破解費洛蒙锁的效果，从而攻击德雷科夫。
趁艾列谢与安东尼娅激战，叶琳娜前去查找其他前来保护德雷科夫的黑寡妇，梅丽娜将飞船的引擎废掉。德雷科夫趁其他黑寡妇前来围殴娜塔莎，借机逃脱，然而叶琳娜制造出解毒剂炸弹，将周围的黑寡妇从心理控制中解救出来。娜塔莎来到控制台，把全世界的其他黑寡妇的位置和资料复制起来，同时飞船开始爆炸解体。艾列谢和梅丽娜乘坐逃生船离开飞船，叶琳娜击落德雷科夫的救生船，让他死在飞船里。
娜塔莎给了叶琳娜一副降落伞，让她离开，自己则留下来和安东尼娅进行殊死决战，结果两人安全落地。娜塔莎对着安东尼娅使用仅剩的解毒剂，将她从奴役中解放出来。其他的黑寡妇陆续抵达，叶琳娜、艾列谢和梅丽娜与娜塔莎道别，叶琳娜将自己的背心给她，希望她能睹物思人。一行人带着恢复正常的安东尼娅离开，娜塔莎则等待罗斯和手下到场。两个星期后，留着一头金色中长发的娜塔莎与梅森汇合，梅森给她一架昆式喷气机。娜塔莎驾驶飞机前去木筏监狱（英语：The Raft (comics)）救出其他被囚禁的复仇者[d]。
2024年，娜塔莎死后[e]，叶琳娜去给娜塔莎扫墓，遇到女伯爵瓦伦蒂娜·阿莱格拉·德·方丹。瓦伦缇娜安排了一个任务给她：杀死要对娜塔莎的死“负责”的人——克林特·巴顿[f]。