In der Gegenwart empfängt Wonder Woman, die in ihrer Zivilidentität als Diana Prince als Kuratorin im Louvre arbeitet, ein Geschenk ihres Superheldenkollegen Bruce Wayne: eine alte Fotografie, die sie an der Seite von Soldaten im Ersten Weltkrieg zeigt. In einer Rückblende wird erzählt, warum sie von diesem Präsent zutiefst bewegt ist.
Gegen Ende des Ersten Weltkrieges lebt auf der „Paradiesinsel“ Themyscira im Mittelmeer das Kriegervolk der Amazonen unter der Herrschaft von Königin Hippolyta und ihrer Schwester Antiope. Sie haben sich dem Kampf gegen ihren Erzfeind Ares verschrieben und hüten den „Gotttöter“, ein Schwert, das den Kriegsgott zerstören kann. Das einzige Kind ist Prinzessin Diana, die der Legende nach von Hippolyta aus Ton geformt und von Zeus zum Leben erweckt wurde. Diana wird von Antiope zur Kämpferin ausgebildet und entdeckt dabei, dass sie über Kräfte verfügt.
Währenddessen stiehlt der britische Spion Steve Trevor ein Notizbuch der spanischen Giftgasexpertin Isabel „Dr. Poison“ Maru, wird bei der Flucht per Flugzeug von deutschen Verfolgern abgeschossen und stürzt nahe der Insel ins Meer. Während er von Diana gerettet wird, werden die Deutschen von den Amazonen getötet, wobei Antiope erschossen wird. Nachdem Hippolyta Steve mit dem amazonischen Lasso der Wahrheit verhört hat, ist Diana überzeugt, dass hinter dem Ersten Weltkrieg niemand anderes als Ares steckt. Sie stiehlt das Lasso der Wahrheit, den Gotttöter und eine rot-blaue Amazonenrüstung und segelt – nachdem Hippolyta sie zwar ertappt, aber schweren Herzens gewähren lässt – mit Steve nach London, um Ares zu töten.
In London übergibt Steve das Notizbuch seinem Chef, Sir Patrick Morgan, während Diana sich trotz des Kulturschocks mit Steves Sekretärin Etta Candy anfreundet und die Tarnidentität von „Diana Prince“ annimmt. Sie finden heraus, dass der tyrannische deutsche General Erich Ludendorff die drohende Niederlage mit einem verheerenden Gaskrieg von Dr. Poison abwehren will: Schauplatz soll die Westfront in Belgien sein. Diana mutmaßt, dass Ludendorff in Wirklichkeit Ares ist, und will ihn töten. Mit einer bunten Schar von Waffenkameraden fahren die beiden an die Front und erfahren, dass deutsche Truppen im Niemandsland ein belgisches Dorf namens Veld besetzt halten. Wütend verwandelt sich Diana in Wonder Woman und erzwingt unter ihrer Führung die Befreiung des Dorfes. Anschließend verbringt sie mit Steve eine romantische Liebesnacht.
Diana und Steve erfahren, dass das deutsche Oberkommando in einer nahen Burg eine Gala abhält, an der auch Ludendorff und Dr. Maru teilnehmen. Steve schleicht sich hinein, um die dort lagernden Giftgasvorräte zu zerstören, doch ohne sein Wissen kommt Diana hinzu, da sie Ludendorff mit dem Gotttöter erstechen will. Als sie die Chance dazu hat, fällt ihr Steve in den Arm: Dieser Akt zerstöre jede Hoffnung auf Frieden. Ludendorffs Truppen bombardieren und töten das gesamte Dorf Veld mit Giftgas, wonach Diana Steve als Schwächling beschimpft. Auf einer Militärbasis, von wo aus die Deutschen mit einem großen Giftgasbomber London vernichten wollen, ersticht Diana den General – doch dann gibt sich der wahre Ares zu erkennen, Sir Patrick Morgan. Ares wollte ihr zeigen, dass die Menschheit schwach und korrupt sei, so dass er ihnen als „Gott der Wahrheit“ das gäbe, was sie wirklich wollten, nämlich Krieg. Zudem eröffnet er ihr, dass sie in Wirklichkeit das leibliche Kind von Hippolyta und Zeus ist, und nicht das Schwert der Gotttöter ist, sondern sie selbst. Während Steve und sein Team den Bomber vergeblich am Abheben hindern wollen, kämpfen Diana und Ares gegeneinander. Als sich Steve opfert, um den Bomber in der Luft zu zerstören, will Diana vor Wut und Schmerz Dr. Poison ermorden. Doch sie verschont die Chemikerin und tötet Ares. Befreit von seiner Gegenwart fallen sich Steves Team und die überlebenden Deutschen in die Arme. In London wird das Ende des Krieges gefeiert und Steves Tod betrauert.
Der Film endet in der Gegenwart, in der Diana sich bei Wayne für das Geschenk bedankt. Das Foto zeigt sie gemeinsam mit Steve und seinen Kameraden nach ihrem Sieg in Veld. Weiter holt sie aus ihrem Schreibtisch eine Armbanduhr hervor, die Steve gehörte. Die Geschehnisse von damals inspirieren sie bis heute, als Wonder Woman für die Gerechtigkeit zu kämpfen.
Es ist nach Batman v Superman: Dawn of Justice die zweite Kinoverfilmung mit der Amazonenprinzessin Diana Prince, die hinter der Identität Wonder Womans steckt, und ist die erste Soloadaption über diese Figur für das Kino. Regie führte Patty Jenkins, Darstellerin von Wonder Woman ist Gal Gadot. Der deutsche Kinostart war am 15. Juni 2017.
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