Dalam Black Widow, Pugh berperan sebagai mata-mata bernama Yelena Belova, saudara dari Natasha Romanoff. Black Widow mengisahkan perjalanan Natasha Romanoff sebelum ia bergabung dengan Avengers.
Natasha dan Yelena muda, diadopsi oleh Alexei Shostakov yang merupakan seorang tentara atau dikenal sebagai Red Guardian dan Melina Vostokoff sebagai agen rahasia serta mantan Black Widow. Keduanya merupakan agen rahasia yang menyamar sebagai pasangan suami istri untuk menjalankan misi.
Mereka kabur dari rumahnya di Ohio setelah menyelesaikan misi mereka dan pergi ke Kuba. Natasha dan Yelena ditempatkan di Red Room yang merupakan kamp pelatihan rahasia Soviet untuk pelatihan lebih lanjut sebagai agen rahasia dan pembunuh untuk program rahasia KGB.
Selain dilatih sebagai agen rahasia dan pembunuh, Natasha juga disterilkan pikirannya dari melakukan keinginannya sendiri sebagai seorang individu untuk memastikan kesetiannya. Saat dewasa, Natasha yang dilatih khusus sebagai agen rahasia kabur. Bertemu dengan Avengers, ia malah menjadi buronan karena telah melanggar sebuah kesepakatan membantu Captain America melarikan diri.
Di lain sisi, saudarinya, Yelena, masih bekerja untuk Red Room hingga ia menemukan Red Dust—penawar yang menghilangkan kendali Red Room atas dirinya. Yelena mengirimkan Red Dust ke Natasha berharap ia mau menolongnya.
Natasha yang pada saat itu menjadi buronan pemerintah, juga diincar oleh Taskmater yang ingin merebut kembali Red Dust yang ada di Natasha. Di masa pelariannya, Natasha bertemu kembali dengan orang-orang di kehidupannya di masa lalu seperti saudarinya Yelena, dan orang tua angkatnya, Alexei dan Melina. Natasha dipaksa untuk berinteraksi lagi dengan orang-orang dari masa lalunya dan berhadapan dengan masa-masa kelamnya dahulu.