《美國隊長》全片幾乎都是在英國拍攝，而且是在世界聞名的薛普敦片廠拍攝，全片於2010年7月12日開拍，並於2010年11月19日正式殺青。拍攝過程總共用到將近一千名工作人員。除了在棚內搭景拍攝以外，劇組也到英國的許多地方實地取景，包括利物浦、凱爾文特的一座前皇家海軍兵工廠、被稱為英國陸軍之鄉的奧爾德肖特、位於白金漢郡的黑公園、位於倫敦的哈克尼帝國劇場以及位於白金漢郡的松木片廠。

雖然製作團隊希望能夠忠於四零年代的漫威漫畫，但是他們也希望呈現真實感。美術指導瑞克韓雷克費盡心思呈現真實的歷史背景，他運用英國的外景地點，透過實體特效以及電腦特效呈現出美國的場景。服裝設計師安娜謝普則曾經在同一天替三百名臨時演員準備符合那個年代的戲服。曾在英國皇家海軍陸戰隊服役超過十五年的軍事顧問比利巴德，則負責教會演員怎麼使用軍事器材和武器。劇組也請來真的的軍事人員參與大規模動作場面的演出，一場戲可能有三分之一的士兵是現役或退役的軍人。

軍事顧問比利巴德特別說：「我不想讓克里斯伊凡在成為美國隊長之前接受軍事訓練，甚至連碰都不讓他碰，因為這樣他在新兵訓練的時候才會很真實地顯得笨手笨腳。」武器專家尼克傑佛瑞則研究並取得那個年代的武器和槍械，並且指導演員該怎麼安全地開槍。特技動作指導史提夫丹特則負責拍攝動作場面時的安全，並且設計美國隊長驚人的酷炫動作，包括他在接受超級戰士血清注射後驚險的街頭追逐場面。片中唯一的女性主要演員，飾演佩姬卡特的海莉艾特沃也必須接受嚴格的軍事訓練，不只是體能訓練，還有如何使用手槍和機關槍。

海莉艾特沃說：「我用一把華爾特PPK手槍進行訓練，雖然我以前曾經接受過類似的訓練，但是並不像這部電影這麼嚴格，所以我很期待演出片中的戰鬥場面。可是導演總是想要拍得更勁爆，所以有一天他就跟我說：『我要讓妳用一挺機關槍，這樣一來就會讓佩姬顯得更厲害。』於是他們找到一挺機關槍，我第一次開機關槍差點就摔倒在地上，因為後座力太強了，地上到處都是彈殼和火藥粉，而且會散發一股熱氣。我不知道我能不能不眨眼開一挺機關槍，我花了好幾個禮拜的時間才能夠毫不眨眼地開機關槍，最後我覺得它是我的手臂的延伸。老實說，最後我還挺佩服我自己的，導演也覺得我做得很好，這就夠了。」

當其他的演員和劇組人員在模擬二次大戰的戰鬥場面，另一組人員則必須負責讓史提芬羅傑斯看起來完全不適合打仗。視覺特效總監克里斯多福湯森必須打造出史提芬羅傑斯在成為美國隊長之前瘦弱的體型。他說：「我很興奮能夠參與《美國隊長》的製作，尤其是我要負責塑造出史提芬羅傑斯還沒成為美國隊長這個肌肉猛男之前的瘦弱小子的樣子。」

為了把克里斯伊凡變成44公斤的瘦弱小子，湯森運用了許多視覺特效技巧，包括取代頭部，也就是把克里斯伊凡的頭部和臉部縮小，再找一個身材瘦弱的替身在片場觀察克里斯伊凡的演出，然後盡量模仿他的一舉一動，最後湯森把克里斯伊凡縮小的頭部和替身的身體天衣無縫地接在一起。雖然替身演員只有170公分高，但是他的身材看起來還是不夠瘦小，所以電腦動畫師就運用軟體把他變得更瘦弱。

執行製片路易斯狄索波西多說：「克里斯伊凡的體格很壯，但是當你看到他在片中一開始有多瘦小，絕對會大吃一驚。」導演喬強斯頓在拍攝期間有一個稱號「演員的導演」，克里斯伊凡解釋說：「導演很樂於聽到演員的意見，而且他會事先排演每一場戲。他會坐下來好好地和演員溝通，其它電影的演員不一定有這麼好的機會。他也不會讓演員受到任何高層主管的干涉，所以感覺我們就好像只和導演在拍一部獨立製作的電影。不管有什麼問題，他都會想辦法解決，當你在拍一部規模這麼龐大的動作鉅片，這一點真的很讓人放心。」

製片凱文費吉自認是一名死忠漫畫迷，他說：「我們都自認為是漫畫迷，所以心態和其他的漫畫迷一樣，如果我們想拍出忠於漫畫的電影，那是因為我們也想看到這樣的電影。畢竟《美國隊長》系列漫畫擁有七十年的悠久歷史，美國隊長比我們都更老是有原因的，而且這個經典角色一定會永遠流傳下去。」他繼續說：「史提芬羅傑斯／美國隊長這角色之所以會這麼吸引人，是因為他基本上並沒有什麼變化，他能夠適應時代的變遷並且反映美國的每一個年代，他的故事終於能夠搬上大銀幕真的很令人興奮。」

克里斯伊凡覺得自己很幸運能演出這部漫畫電影，他說：「這些漫畫擁有一群超死忠的粉絲，所以為了符合這些粉絲的要求，我在拍戲期間必須非常謹慎小心，每一場戲和每一個鏡頭都要完全到位。每一個演員都需要觀眾，能有這些粉絲真的很棒，因為你知道他們會支持你。我會拍這部電影不只是因為這是漫威的電影，也是因為《美國隊長》系列漫畫已經有一群很死忠的粉絲，所以我希望能腳踏實地，把這個角色演好。」

對導演喬強斯頓來說，執導《美國隊長》在許多層面非常有成就感，他說：「我認為美國隊長反映了美國的理想，這個角色是在美國加入二次世界大戰之前創造出來的，我覺得他很快就成為正義使者的象徵。我有機會描述美國隊長的故事，我也希望我拍出來的電影能讓漫威漫畫的粉絲和創辦人感到驕傲。」