Гений хирургии Стивен Стрэндж свои незаурядные способности подтверждает путём извлечения пули из почти не подававшего признаков жизни мужчины, не используя компьютерной техники. Изучая медицинскую карту очередного пациента за рулем автомобиля Lamborghini Huracán, Стивен теряет управление и попадает в серьезную аварию. Тяжёлые травмы рук ломают его карьеру и жизнь, и Стивен ссорится со своей коллегой и подругой Кристиной Палмер, которая всячески пытается ему помочь. Стрэндж находит Джонатана Пэнгборна, которого когда-то отказался оперировать и расспрашивает его, каким образом тот сумел излечиться, будучи парализованным. Пэнгборн рассказывает Стрэнджу об одном учителе в Камар-Тадже, куда и отправляется Стивен. Там на него нападают местные грабители, которые ломают его часы Jaeger-LeCoultre, но его спасает Карл Мордо и отводит в Камар-Тадж. Стивен расспрашивает Древнюю о том, как исцелился Пэнгборн, а та отправляет Стивена через другие измерения. Шокированный Стивен просится к ней в ученики. Древняя, после совета Мордо, соглашается.
Стивен обучается магии, знакомится с Мастером Хамиром и Вонгом, новым библиотекарем, а также узнаёт о предательстве Кецилия. Мордо рассказывает Стивену о том, что магию можно заключать в артефакты и что чародейские предметы могут сами выбирать себе владельца. Позже в острой ситуации Стивена выбирает Плащ Левитации. Причем артефакт обладает собственным разумом и не только подсказывает владельцу, но и открыто манипулирует им, например, не давая совершать определенные ошибочные действия. Во время изучения книг Стрэндж находит Глаз Агамотто, надевает его и использует, восстановив с помощью управления временем вырванные Кецилием страницы из книги Калиостро. Едва не начав разлом между измерениями, Стрэндж был остановлен Вонгом и Мордо, которые предупреждают его об опасности предмета и объясняют задачу чародеев: в то время как Мстители защищают планету от физических угроз, чародеи веками охраняют мир от угроз магических. Три храма чародеев в Нью-Йорке, Лондоне и Гонконге образуют собой некий магический щит, который защищает Землю, у каждого храма есть свой хранитель, и остальные чародеи помогают им в защите этих храмов. Стрэндж попадает в Нью-йоркский храм, на который нападает Кецилий. Он убивает хранителя храма Дэниэла Драмма. В ходе разговора Стрэндж узнаёт, что в планах Кецилия — впустить в мир Дормамму, повелителя Тёмного измерения, которое находится вне времени, чтобы тот захватил Землю и «освободил» людей, сделав их бессмертными. Помешать этому могут только три храма. После падения Лондонского храма Стивен берёт Кецилия в плен, однако тому удаётся ранить Стивена и сбежать. Стрэндж телепортируется к Кристине, которая лечит его, в то время как он сам сражается с фанатиком Люцианом в астральном измерении и убивает его.
В храм прибывают Мордо и Древняя. Стивен разоблачает Древнюю в использовании Тёмной энергии ради продления жизни. Мордо разочаровывается в своих убеждениях. Кецилий снова нападает на храм и убивает Древнюю. Стрэндж приносит её к Кристине, но Древняя перед смертью говорит Стивену, что она нарушала законы природы лишь во благо, только продлевая себе жизнь до нынешнего момента, который она множество раз видела, когда заглядывала в будущее и его вероятности. Она говорит Стрэнджу, что иногда ради всеобщего блага приходится нарушать правила, и что самому Стивену тоже придётся их нарушить.
Остаётся последний храм — в Гонконге, который защищает Вонг. Когда туда являются Стрэндж и Мордо, храм уже разрушен, Вонг мёртв, и в мир проникает Тёмная энергия. Во время битвы с Кецилием и фанатиками Стивен, используя глаз Агамотто и его способность использовать время, воскрешает Вонга. Создав временну́ю петлю, он отправляется в Тёмное измерение, где договаривается с Дормамму. Будучи не способным разорвать временную петлю, Дормамму соглашается забрать Кецилия и зилотов и оставить Землю в покое, а Доктор Стрэндж аннулирует свое заклинание. Мордо покидает Стивена и Вонга, разочаровавшись.
Стивен возвращает Глаз Агамотто и становится хранителем храма в Нью-Йорке. Вонг предупреждает его о том, что весть о смерти Верховного чародея разлетится очень быстро, и что теперь им нужно быть готовыми к новым угрозам.
В сцене во время титров Доктор Стрэндж сидит напротив Тора, который рассказывает ему, что намерен искать своего отца, Одина, на Земле. Стивен соглашается ему помочь.
В сцене после титров показан Мордо, который приходит к Джонатану Пэнгборну и говорит о том, что он ворует магию, после чего отбирает у него восстановленную магическим образом возможность ходить. Он говорит, что на Земле «слишком много колдунов».