La historia arranca en Katmandú, Nepal, en el misterioso templo de Kamar-Taj. Kaecilius (interpretado por Mads Mikkelsen) un malvado hechicero que una vez perteneció al mismo, roba junto a sus seguidores unas páginas del "libro de Cagliostro". Aunque "La Anciana" (Tilda Swinton) intenta detenerle, es demasiado tarde.

Tras eso pasamos a Nueva York (como no...) donde el arrogante neurocirujano Stephen Strange (Benedict Cumberbatch, el popular Sherlock Holmes contemporáneo de BBC) logra salvar milagrosamente a un paciente al que sus compañeros (entre los que se encuentra su ex-novia Christine Palmer, interpretada por Rachel McAdams) daban por muerto. 

Tras esto parte a dar una conferencia, sufriendo un grave accidente de coche por una distracción, lo que daña irremediablemente sus manos, sometiéndose a todo tipo de operaciones inútiles que le hacen dilapidar su gran fortuna. Durante la rehabilitación oye la historia de Jonathan Pangborn (Benjamin Bratt) un parapléjico que encontró repentinamente la forma de volver a andar, lo que le lleva a Katmandú.

Aunque en principio la "hechicera suprema" se niega a adiestrarle (ya que su actitud le recuerda demasiado a Kaecilius) finalmente es convencida por su mejor discípulo, Mordo (Chiwetel Ejiofor) que ve grandes aptitudes en él. Tras unos difíciles comienzos, la dura prueba de abrir un portal dimensional en medio del Everest por fin le permite aprender poco a poco la misión que llevan a cabo los hechiceros, que es la de proteger los 3 templos conectados con Kamar-Taj que separan el universo de la "dimensión oscura" gobernada por Dormmamu (también interpretado mediante captura de movimientos por Cumberbatch) . Aunque Pangborn había sido un buen alumno, finalmente había rehusado la misión, usando la magia para poder caminar y hacer una vida normal.

Su rápido aprendizaje y curiosidad llevan a Strange a coger sin permiso una de las reliquias de Kamar-Taj, el ojo de Agamotto, que contiene en su anterior la quinta Gema del infinito, la del tiempo. De esta forma recompone las páginas robadas por Kaecillius, lo que le hace comprender que su plan es el de atraer a Dormammu para conseguir la vida eterna. 

Para entonces, ya ha destruido uno de los templos (Londres) y se dirige al de NY. Empieza una desigual lucha entre Stephen y el grupo de Kaecillius, sin más ayuda que una extraña capa. Aunque consigue matar a uno de los secuaces y enviar a otro a un portal que conecta con un desierto, Strange es apuñalado por Kaecillius, siendo salvado por la dra.Palmer, a la que guía a través de su forma astral.

Por otra parte, Kaecillius logra sembrar la discordia al haber desvelado el turbio secreto de la Anciana en torno a su inusitada longevidad: ella misma extraía energía de la dimensión oscura, magia que prohibía al resto, lo que decepciona profundamente a Mordo, el más respetuoso a las normas, motivo por el que había reprendido duramente a Strange por experimentar con el ojo de Agamotto, lo que podía poner en peligro el contínuo espacio tiempo. Esto resulta interesante, ya que mueve al personaje en una zona gris similar a la que por ejemplo tenía en los comics el profesor Charles Xavier.

Sin tiempo para discutir, el templo de NY vuelve a ser atacado. Esta vez no consiguen evitar su destrucción, y además la Anciana muere durante la pelea en la "dimensión espejo", plano paralelo donde desarrollar la magia al margen del resto de la humanidad.

Ahora solo queda un templo en Hong Kong, protegido por el biblotecario Wong (Benedict Wong) . Cuando llegan Strange y Mordo para unirse a la batalla, es demasiado tarde, y Dormammu se acerca a la Tierra. El Doctor Strange intenta de nuevo revertir los daños con la gema del tiempo, y aunque consigue así salvar a Wong, el poder creciente de Kaecilius es imposible de contener. Es entonces cuando traza una astuta argucia: viajar a la dimensión oscura y usar consigo mismo la gema del tiempo. Allí una y otra vez es asesinado por Dormammu en un infinito bucle temporal, otra de las consecuencias de las que antes le había advertido Mordo.