一股突如其来的强大邪恶势力对地球造成致命威胁，没有任何一个超级英雄能够单独抵挡。长期致力于保护全球安危的神盾局（SHIELD）感到措手不及，其指挥官“独眼侠”尼克-法瑞意识到他必须创建一个“史上最强”的联盟组织，云集各方超级英雄一起发威，才能拯救世界于水深火热，抵御黑暗势力的侵袭。于是由六大超级英雄——“钢铁侠”、“雷神” 、“美国队长”、“绿巨人” 、“黑寡妇”和“鹰眼”组成的 “复仇者联盟”应运而生。他们各显神通，团结一心，终于战胜了邪恶势力，保证了地球的安全。

银河系中的至尊霸主灭霸（乔什·布洛林饰）带着几个得力手下破坏星球，只为了将所有的无限宝石镶嵌于金属手套上，这个手套可以将整个银河系彻底摧毁。为了拯救宇宙，托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼饰）和史蒂夫·罗杰斯（克里斯·埃文斯饰）需要摒弃前嫌，重组复仇者联盟，并与蜘蛛侠（汤姆·赫兰德饰）、奇异博士（本尼迪克特·康伯巴奇饰）、银河护卫队、黑豹（查德维克·博斯曼饰）以及瓦坎达人民的力量一同作战，阻止灭霸毁灭一半宇宙生命。

身经百战的超级英雄们产生了职业倦怠，已经卸下钢铁战甲的托尼·斯塔克因此发明了“奥创”——有自我意识、有学习能力的人工智能机器人，并将保护世界的重任交给奥创。令超级英雄们始料不及的是，不断进化的奥创得出了“人类是地球上最大的威胁”这一结论，进而开始实施消灭人类的计划。有强大能力的改造人兄妹快银和绯红女巫也成为奥创的帮手，四处制造麻烦。于是，在地球面临生死存亡的紧急关头时，超级英雄们挺身而出承担起拯救世界的重任，他们将阻止可怕的人工智能机器人“奥创”制定恐怖计划。