最先与灭霸军团遭遇的雷神索尔一行遭遇惨烈打击，洛基遇害，空间宝石落入灭霸之手。未几，灭霸的先锋部队杀至地球，一番缠斗后掳走奇异博士。为阻止时间宝石落入敌手，斯塔克和蜘蛛侠闯入了敌人的飞船。与此同时，拥有心灵宝石的幻视也遭到外星侵略者的袭击，为此美国队长、黑寡妇等人将其带到瓦坎达王国，向黑豹求助。幸免于难的索尔与星爵一行相逢，随后他们兵分两路。索尔与火箭、格鲁特踏上再铸雷神之锤的旅程，星爵则与卡魔拉等人试图阻止灭霸的恶行。而知晓灵魂宝石下落的卡魔拉，同样是其义父灭霸追踪的对象。
攸关整个宇宙命运的史诗战役全面展开，超级英雄们为了平凡而自由的生命奋不顾身……

彼得·奎尔（克里斯·帕拉特 饰）是一名从小被劫持到外太空的地球人，在义父勇度（迈克尔·鲁克 饰）的培养下成了一个终极混混，自称“星爵”。一次行动中他偷了一块神秘球体，便成为了赏金猎人火箭浣熊（布莱德利·库珀 配音）、树人格鲁特（范·迪塞尔 配音）的绑架目标，而神秘的卡魔拉（佐伊·索尔达娜 饰）也对神秘球体势在必得。经过笑料百出的坎坷遭遇，星爵被迫和这三人，以及复仇心切的“毁灭者”德拉克斯（戴夫·巴蒂斯塔 饰）组成小分队逃避“指控者”罗南（李·佩斯 饰）的追杀。然而这个神秘球体拥有无穷的力量，小分队必须团结一致对付罗南，才有可能解救整个银河系，银河护卫队由此诞生。

在围剿斯克鲁人的战斗中，克里人星际战队成员弗斯（布丽·拉尔森 饰）不幸成为对方的俘虏。斯克鲁人尝试探究弗斯的记忆，最终发现连弗斯本人都不知道的一段往事，进而也得知名为温迪•劳森博士的女子掌握着他们急于得到的时空引擎。趁对方不备，拥有强大超能力的弗斯摆脱束缚，逃到了代号为C-53的地球，而这里也正是她那段失落的记忆的发生地。未过多久，神盾局探员弗瑞特工（塞缪尔·杰克逊 饰）找上门来，而紧随其后的斯克鲁人更是引发了地球人前所未见的大骚动。
在这一过程中，弗瑞特工意识到事态的严重性，并且帮助弗斯认清本来的自己。倔强的弗斯，终于找到了真正需要保护的东西……

在与灭霸史诗般的战争结束后，地球似乎暂时回归和平。皮特（汤姆·赫兰德 饰）回到了校园生活之中，他和好友相谈甚欢，并且有了心仪的女孩，然而内心最深处依然放不下对钢铁侠的追悼缅怀。去往欧洲游学的路上，皮特试图找机会和个性女孩米歇尔（赞达亚 饰）表白，谁知接连出现的元素怪兽打乱了他的表白计划。在这一过程中，与神盾局合作的神秘客（杰克·吉伦哈尔 饰）挺身而出，击退怪兽。自感不堪大任的皮特谢绝了尼克·弗瑞（塞缪尔·杰克逊 饰），情愿将钢铁侠继承者的重任交到神秘客手中。
令他意想不到的是，更可怕的危机接二连三袭来……

钢铁侠托尼·斯塔克在国会听证上拒绝交出最新技术。与此同时，他发现胸口的微型电弧反应炉正迅速造成血液的钯金属中毒。沮丧的托尼将斯塔克公司的职务交予了秘书波兹，由她全权负责正在进行的纽约斯塔克博览会。波兹从法律部门调来助理娜塔莉照顾托尼。托尼在媒体前的高调亮相引起了其父当年同事的儿子，伊凡的不满。为了实施报复，他子承父业，研制出了一套可与钢铁战衣相媲美的装备。伊凡的技术引起了托尼的竞争对手，军火商贾斯丁·汉默的注意，他设法将伊凡劫持出狱，秘密研究取代钢铁侠。正当托尼苦于钯金属中毒造成的失意之时，他发现娜塔莉原来身负秘密使命，而自己的任性，也造成了与好友空军上校罗德斯的反目，眼看局势就要失控……

正就读中学的少年迈尔斯（沙梅克·摩尔 Shameik Moore 配音）意外被一只遭受放射性污染的蜘蛛咬伤，随后身体发生奇特的变化。偶然机缘，他目睹了蜘蛛侠（克里斯·派恩 Chris Pine 配音）和犯罪头目金并（列维·施瑞博尔 Liev Schreiber 配音）的战斗。为了阻止金并利用时空对撞机扰乱宇宙，蜘蛛侠最终壮烈牺牲。可未过多久，来自平行宇宙的颓废的彼德·帕克（杰克·约翰逊 Jake M. Johnson 配音）出现在迈尔斯面前。为了阻止金并的阴谋，并帮助这个帕克返回自己的宇宙，他们闯入金并的老巢。在这一过程中，二人遭到章鱼博士和徘徊者的狙击。与此同时，来自其他宇宙的女蜘蛛侠、暗影蜘蛛侠、蜘猪侠、二次元蜘蛛妹相继出现。
他们合力与恶势力展开斗争……

勇敢善战雷神托尔（克里斯•海姆斯沃斯 饰），作为永恒境界阿斯加德的王位继承人，受人敬仰。然而由于一次鲁莽的行动，险些挑起一场古老的战争，因此被父亲天神奥丁（安东尼•霍普金斯 饰）流放到人间。托尔在人间认识了 美丽的女科学家珍•福斯特（娜塔莉•波特曼 饰）和她的工作伙伴，在他们的帮助下，托尔找到了和自己一起被贬的雷神之锤，但此时的雷神之锤并不属于他。此间，托尔的弟弟洛基为了成为阿斯加德的王，居然联合寒冰巨人，企图在永恒境界掀起一场腥风血雨。为了维持永恒之界的法度，托尔的四位朋友也来到人间，他们决定带托尔返回永恒之境。此时，为了阻止雷神重归永恒境界，洛基派出巨人杀死托尔。丧失能力和法战的托尔为了保护无辜的人类与自己的朋友，献出了自己的生命。托尔的死打破了天神的的咒语，托尔复活并重获雷神之力战胜巨人。此时，天神生命危在旦夕，托尔必须与自己的朋友们重返永恒之界，维护那里的法度……

油嘴滑舌的雇佣兵韦德·威尔森（瑞恩·雷诺兹 Ryan Reynolds 饰）与俏皮可爱的瓦内莎（莫蕾娜·巴卡林 Morena Baccarin 饰）邂逅，但在爱情最美满的时刻，他被诊断患有晚期癌症，留在世上的时间所剩无几。极度绝望之际，他接受了弗朗西斯（艾德·斯克林 Ed Skrein 饰）私人组织的邀请，对其基因做了改造，以谋求体能的突变。在忍受了一系列的残酷折磨后，韦德终于治好了癌症，蜕变成拥有不死之身的超级战士，但是代价却是失去了人类的面容。
狡猾的弗朗西斯逃之夭夭，而韦德却无法以恐怖的面容去面对女友。在此之后，他化身死侍，穿梭于每一个黑暗角落，寻找阿贾克斯的踪影……

在费了九牛二虎之力好不容易打败了神秘客之后，蜘蛛侠彼得·帕克（汤姆·赫兰德 Tom Holland 饰）却被濒死之际的神秘客揭露了真实身份。随后主流媒体对超能力者滥用权力造成普通平民生活无数困扰的行为大加挞伐，一时间彼得的生活乱作一团，甚至影响到了 MJ（赞达亚 Zendaya 饰）和好朋友内德（雅各布·巴特朗 Jacob Batalon 饰）的生活。备受困扰的彼得找到了奇异博士（本尼迪克特·康伯巴奇 Benedict Cumberbatch 饰），希望对方施展一条能够让世人忘记他真实身份的咒语。谁知乱中出错，这条咒语将其他宇宙中认识彼得·帕克的人陆续带来，其中包括章鱼博士、绿魔、沙人等其他蜘蛛侠的死对头。担心这些“对手”回到各自宇宙后迎来灭亡的命运，彼得决定拯救他们，却无意中带来让他无法承受的因果……

在“索科维亚战役”两年后，雷神索尔（克里斯·海姆斯沃斯 饰）识破了洛基（汤姆·希德勒斯顿 饰）的伪装，辗转找到了被放逐到地球的奥丁（安东尼·霍普金斯 饰）。然而垂死的奥丁却告知两个儿子，“诸神的黄昏”已经开始，曾遭到奥丁封禁的死亡女神海拉（凯特·布兰切特 饰）即将重返阿斯加德。与海拉的初次对决中，索尔失去了雷神之锤，他和洛基也被打落至混乱不堪的萨卡星。在萨卡的决斗场上，索尔重逢失踪许久的绿巨人，也见到了曾从海拉魔爪下逃得一生的女武神。
历经千辛万苦，索尔和战友们重返阴云密布的阿斯加德，去正视这注定要到来的“诸神的黄昏”……