Der Film spielt nach „The First Avenger: Civil War”. Doctor Steven Strange (Benedict Cumberbatch) ist ein brillanter aber arroganter und egozentrischer Neurochirurg in New York City. Auf dem Weg zu einer Gala bekommt er einen Anruf von Billy (Adam Pelta-Pauls), der ihn unter anderem von den Verletzungen von James Rhodes / War Machine (Don Cheadle) berichtet. Beim Blick auf die Krankenakten erleidet Strange einen Autounfall mit seinem Lamborghini. Als er wieder erwacht, sind seine Hände komplett zertrümmert und die erlittenen Nervenschäden machen die Arbeit als Neurochirurg unmöglich.
Weil er keine Aussicht auf Heilung mehr sieht und auch mit seiner Kollegin und Freund Dr. Christine Palmer (Rachel McAdams) gebrochen hat, sucht er Jonathan Pangborn auf, der einst gelähmt war und nun wieder laufen kann. Auf der Suche nach der gleichen spirituellen Heilung begibt sich Strange nach Kathmandu um das Kamar-Taj aufzusuchen.
Dort lernt Strange die magischen Künste und studiert das Auge von Agamotto, einem Artefakt, das den Zeitstein - einer der Infinity Steine - beherbergt. Meister Mordo (Chiwetel Ejiofor) und Wong (Benedict Wong) können Strange davon abhalten, zu tief in die dunklen Künste einzutauchen und Zaubersprüche aus dem verbotenen Buch anzuwenden. Doctor Strange wird gelehrt, dass die Magier die Erde vor mystischen Gefahren beschützen und dass es Tempel in New York, London und Hong Kong gibt.
Die Magier schützen die Erde vor Wesen aus der Dunklen Dimension, vor allem vor Dormammu, welches jetzt von Kaecilius zur Erde gebracht werden soll. Sein Ziel ist es, eine Welt ohne Zeit zu erschaffen. Die Älteste bezieht ebenfalls Energie aus der Dunklen Dimension und verlängert so ihr Leben. Nachdem alle Tempel von Kaecilius und den Zealoten zerstört wurden, nutzt Strange das Auge des Agamottos um die Zeit umzukehren und zu versuchen, Kaecilius zu besiegen.
Als dieser Versuch scheitert, begibt sich Strange in die Dunkle Dimension, und verhandelt mit Dormammu. Weil Stephen Strange ihn in eine Zeitschleife versetzt, bleibt Dormammu letztendlich nichts anderes übrig, als einzuwilligen und von seinem Vorhaben abzusehen. Stephen Strange wird zum obersten mystischen Wächter der Erde ernannt.
Doctor Strange: Mid und Post-Credit-Szene
In der Mid-Credit-Szene bittet Thor ihm um Hilfe auf der Suche nach seinem Vater. In der Post-Credit-Szene erscheint Mordo bei Jonathan Pangborn und nimmt ihm den Teil der Magie, die ihm geholfen hat, nach seiner Querschnittslähmung wieder laufen zu können.
