故事发生在2045年，虚拟现实技术已经渗透到了人类生活的每一个角落。詹姆斯哈利迪（马克·里朗斯 Mark Rylance 饰）一手建造了名为“绿洲”的虚拟现实游戏世界，临终前，他宣布自己在游戏中设置了一个彩蛋，找到这枚彩蛋的人即可成为绿洲的继承人。要找到这枚彩蛋，必须先获得三把钥匙，而寻找钥匙的线索就隐藏在詹姆斯的过往之中。
韦德（泰尔·谢里丹 Tye Sheridan 饰）、艾奇（丽娜·维特 Lena Waithe 饰）、大东（森崎温 饰）和修（赵家正 饰）是游戏中的好友，和之后遇见的阿尔忒弥斯（奥利维亚·库克 Olivia Cooke 饰）一起，五人踏上了寻找彩蛋的征程。他们所要对抗的，是名为诺兰索伦托（本·门德尔森 Ben Mendelsohn 饰）的大资本家。

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……