כאשר טוני סטארק (רוברט דאוני ג'וניור) מנסה להתניע תכנית של שמירת שלום רדומה, דברים משתבשים וגיבורי העל הגדולים ביותר בכדור הארץ, הכוללים את: איירון מן (דאוני ג'וניור), קפטן אמריקה (כריס אוונס), ת'ור (כריס האמסוורת'), הענק הירוק (מארק רופאלו), האלמנה השחורה (סקרלט ג'הנסון) והוקאיי (ג'רמי ראנר) עומדים למבחן האולטימטיבי כשגורלו של כדור הארץ עומד על כף המאזניים. כשאולטרון, נבל טכנולוגיה מבהיל ומרושע (ג'יימס ספיידר) עולה ומנסה להכחיד את האנושות, זה תלוי רק בנוקמים לעצור אותו מלממש את תכניותיו הנוראיות. הם נאלצים להתעמת עם שתי דמויות מסתוריות וחדשות: וונדה מקסימוב (אליזבת אולסן) ופייטרו מקסימוב (אהרון טיילור-ג'ונסון) ופוגשים חבר ישן בחזות חדשה. כל זה מביא אותם לכדי בריתות לא קלות ופעולות בלתי צפויות הסוללות את הדרך לאפוס יוצא דופן של הרפתקה גלובלית.