1995年，娜塔莎·罗曼诺夫和叶莲娜·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“红色守卫者”亚历山·索斯达哥夫和前“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碟片带给红室（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，娜塔莎与叶莲娜被送进红室接受进一步的训练。
2016年，娜塔莎因违反了苏科维亚协议（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莲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。叶莲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，遭到同样也在寻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莲娜送来的。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妮雅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。之后娜塔莎和叶莲娜成功逃离模仿大师的追击，与梅森汇合，乘坐直升机离开。
娜塔莎和叶莲娜帮助亚历山越狱，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。叶莲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，而亚历山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妮雅，安东妮雅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晶元来辅助她，同时把她打造成超级完美的战士。德雷科夫派安东妮雅去收拾亚历山和梅丽娜。娜塔莎还发现包括自己在内的所有黑寡妇都被植入了费洛蒙锁，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，破解费洛蒙锁的效果，从而攻击德雷科夫。
趁亚历山与安东妮雅激战，叶莲娜前去寻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，然而叶莲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。亚历山和梅丽娜乘坐逃生船离开飞船，叶莲娜击落德雷科夫的救生船，让他死在飞船里。
娜塔莎给了叶莲娜一副降落伞，让她离开，自己则留下来和安东妮雅进行殊死决战，结果两人安全落地。娜塔莎对著安东妮雅使用仅剩的解毒剂，将她从奴役中解放出来。其他的黑寡妇陆续抵达，叶莲娜、亚历山和梅丽娜与娜塔莎道别，叶莲娜将自己的背心给她，希望她能睹物思人。一行人带著恢复正常的安东妮雅离开，娜塔莎则等待罗斯和手下到场。两个星期后，留著一头金色中长发的娜塔莎与梅森汇合，梅森给她一架昆式战机。娜塔莎驾驶飞机前去浮岛监狱（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]，叶莲娜去给娜塔莎扫墓，遇到女伯爵瓦伦缇娜·艾蕾格拉·德芳亭。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]。
