Loki (Tom Hiddleston) retorna à Terra enviado pelos chitauri, uma raça alienígena que pretende dominar os humanos. Com a promessa de que será o soberano do planeta, ele rouba o cubo cósmico dentro de instalações da S.H.I.E.L.D. e, com isso, adquire grandes poderes. Loki os usa para controlar o dr. Erik Selvig (Stellan Skarsgard) e Clint Barton/Gavião Arqueiro (Jeremy Renner), que passam a trabalhar para ele. No intuito de contê-los, Nick Fury (Samuel L. Jackson) convoca um grupo de pessoas com grandes habilidades, mas que jamais haviam trabalhado juntas: Tony Stark/Homem de Ferro (Robert Downey Jr.), Steve Rogers/Capitão América (Chris Evans), Thor (Chris Hemsworth), Bruce Banner/Hulk (Mark Ruffalo) e Natasha Romanoff/Viúva Negra (Scarlett Johansson). Só que, apesar do grande perigo que a Terra corre, não é tão simples assim conter o ego e os interesses de cada um deles para que possam agir em grupo.

Tentanto proteger o planeta de ameaças como as vistas no primeiro Os Vingadores, Tony Stark busca construir um sistema de inteligência artifical que cuidaria da paz mundial. O projeto acaba dando errado e gera o nascimento do Ultron (voz de James Spader). Capitão América (Chris Evans), Homem de Ferro (Robert Downey Jr.), Thor (Chris Hemsworth), Hulk (Mark Ruffalo), Viúva Negra (Scarlett Johansson) e Gavião Arqueiro (Jeremy Renner) terão que se unir para mais uma vez salvar o dia.

Thanos (Josh Brolin) enfim chega à Terra, disposto a reunir as Joias do Infinito. Para enfrentá-lo, os Vingadores precisam unir forças com os Guardiões da Galáxia, ao mesmo tempo em que lidam com desavenças entre alguns de seus integrantes.

Após Thanos eliminar metade das criaturas vivas, os Vingadores precisam lidar com a dor da perda de amigos e seus entes queridos. Com Tony Stark (Robert Downey Jr.) vagando perdido no espaço sem água nem comida, Steve Rogers (Chris Evans) e Natasha Romanov (Scarlett Johansson) precisam liderar a resistência contra o titã louco.