Bien avant que les Avengers ne sauvent le monde, Carol Denvers vivait sur Terre, pilote de chasse brillante, jusqu’à ce qu’un accident mystérieux change sa destinée. Devenue membre des Starforce, une unité d’élite Kree, elle se retrouve au coeur d’un conflit intergalactique opposant son peuple aux Skrulls. Mais c’est en revenant sur Terre en 1995 qu’elle commence à recoller les morceaux de sa mémoire et à comprendre qui elle est vraiment. Avec l’aide d’un jeune Nick Fury, elle découvrira non seulement l’étendue de son pouvoir, mais aussi la vérité sur son passé.
Pour incarner Captain Marvel (première super-héroïne du MCU à avoir son propre film solo) Brie Larson a suivi un entraînement intensif. La comédienne s’est préparée pendant neuf mois avant le début du tournage. Une préparation nécessaire, compte tenu des nombreuses scènes d’action présentes dans le long-métrage, comme celle du combat dans le train, qui a d’ailleurs nécessité trois jours de tournage. Il s’agit de son premier film d’action en tant que tête d’affiche, une expérience qu’elle a particulièrement appréciée, comme en témoigne sa déclaration : « Je me suis sentie vivante. » En plus de l’entraînement physique, Brie Larson a également appris à piloter un avion et à simuler des combats rapprochés, afin de rendre son interprétation de Carol Danvers aussi crédible que possible.
Dans Captain Marvel, qui se déroule dans les années 90, Samuel L. Jackson incarne un Nick Fury rajeuni numériquement de 25 ans tout au long du film.
Tué par Loki dans le premier Avengers, l’agent Coulson, incarné par Clark Gregg, fait son retour sur grand écran dans Captain Marvel. L’action se déroulant dans les années 90, le film se situe bien avant sa disparition, ce qui évite d’avoir à expliquer sa résurrection. Il y retrouve Nick Fury, encore doté de ses deux yeux, avec qui il travaille en étroite collaboration.
Au départ, certains craignaient que Brie Larson, alors âgée de 29 ans, soit trop jeune pour incarner une pilote de l’US Air Force. Pour dissiper les doutes, la scénariste Nicole Perlman s’est tournée vers l’armée américaine, qui a confirmé qu’il était tout à fait réaliste de devenir pilote accompli entre 28 et 34 ans.
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