故事聚焦在《复仇者联盟4：终局之战》中，另一时空拿走空间宝石（Space Stone）的洛基，描述他作为一名恶作剧之神和变形者的身份，现身在人类历史中的多个时期，影响着历史事件。

几近绝望的复仇者们在惊奇队长的帮助下找到灭霸归隐之处，却得知六颗无限宝石均被销毁，希望彻底破灭。五年后，迷失在量子领域的蚁人意外回到现实世界，他的出现为幸存的复仇者们点燃了希望。与美国队长冰释前嫌的托尼找到了穿越时空的方法，星散各地的超级英雄再度集结，他们将分别穿越不同的时代去搜集无限宝石。与此同此，平行宇宙的灭霸察觉了他们的计划。这是一场注定要载入史册的终局之战，超级英雄们为了心中恪守的信念前仆后继……

火箭浣熊（布莱德利·库珀 Bradley Cooper 配音）偷走了大祭司阿耶莎（伊丽莎白·德比齐 Elizabeth Debicki 饰）的能量电池，包括星爵（克里斯·帕拉特 Chris Pratt 饰）、卡魔拉（佐伊·索尔达娜 Zoe Saldana 饰）、德拉克斯（戴夫·巴蒂斯塔 Dave Bautista 饰）在内的一行人遭到了后者派出的舰队的袭击。一个神秘人物乘坐着飞船救下了银河护卫队的众人，而驾驶着飞船的不是别人，竟然正是星爵的亲生父亲伊戈（库尔特·拉塞尔 Kurt Russell 饰）。
在伊戈的带领下，星爵、卡魔拉和德拉克斯来到了由伊戈一手制造的星球上，而剩下的成员们则着手修复损坏的飞船。那边厢，阿耶莎委托勇度（迈克尔·鲁克 Michael Rooker 饰）抓住星爵替自己报仇，而卡魔拉亦渐渐发现了伊戈和善面目下隐藏的巨大阴谋。

斯特兰奇博士（本尼迪克特·康伯巴奇 饰）是一名外科手术医生，他拥有着高超的智商和精湛的技艺，是医院乃至整个医学界的传奇人物。某一日，斯特兰奇博士遭遇了一场可怕的车祸，尽管保住了双手，但这双手伤痕累累不住颤抖，这也就意味着，他再也不能拿起手术刀，站在无影灯下了。
斯特兰奇博士的生活就此失去了意义陷入了绝望之中，他决定远赴尼泊尔，寻找传说中能够治愈他双手的神秘力量。在尼泊尔，风尘仆仆的斯特兰奇博士拜入了神秘的古一法师（蒂尔达·斯文顿 饰）门下，成为了其弟子，与此同时，古一法师曾经的弟子卡西利亚斯（麦斯·米科尔森 饰）亦在虎视眈眈，企图完成他获得永生的大业。

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……

托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 饰）试图重启一个已经废弃的维和项目，不料该项目却成为危机导火索。世上最强大的超级英雄——钢铁侠、美国队长（克里斯·埃文斯 饰）、雷神（克里斯·海姆斯沃斯 饰）、绿巨人（马克·鲁弗洛 饰）、黑寡妇（斯嘉丽·约翰逊 饰）和鹰眼（杰瑞米·雷纳 饰），不得不接受终极考验，拯救危在旦夕的地球。神秘反派奥创（詹姆斯·斯派德 配音）逐渐崛起，超级英雄们必须重新集结，竭力阻止奥创实施人类灭绝计划。战斗中，复仇者联盟成员们还遇到了两个新人物——旺达·马克西莫夫（伊丽莎白·奥尔森 饰）和皮特罗·马克西莫夫（亚伦·泰勒-约翰逊 饰），以及以全新面目归来的老朋友——幻视（保罗·贝坦尼 饰）。
世界秩序濒临崩溃，复仇者联盟必须阻止奥创的阴谋。强敌不断出现，一场空前绝后的全球浩战即将展开……