渐渐习惯了现代生活的美国队长史蒂夫·罗杰斯（克里斯·埃文斯 饰），在一次行动后隐隐嗅到神盾局内部所弥漫出来的凶险气味。而当得知神盾局正秘密进行的“洞察计划”后，他更为此感到愤怒。某天，神盾局指挥官尼克-法瑞（塞缪尔·杰克逊 饰）遭到一群武装分子袭击，他拼尽全力将一支U盘交到美国队长手中，这里面藏着该局二战以来最重要且最可怕的秘密。在此之后，美国队长因涉嫌杀害尼克而遭到前局长亚历山大·皮尔斯（罗伯特·雷德福 饰）的通缉和追杀，逃亡中他得到黑寡妇（斯嘉丽·约翰逊 饰）和退伍老兵“猎鹰”（安东尼·麦凯 饰）的帮助。他们必须争分夺秒解开神盾局的秘密，阻止“洞察计划”的施行……

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……

因儿时与母亲失散，少年比利（亚瑟·安其 Asher Angel 饰）辗转多个家庭，却执着地要回到妈妈身边。当他再度栖身一个由养子养女的大家庭时，却阴差阳错来到某个未知的领域，并且成为古老巫师的继承人。当他喊出“沙赞”时，便会瞬间变成拥有强壮成年人身体的超级英雄雷霆沙赞（扎克瑞·莱维 Zachary Levi 饰）。比利兴奋不已，和新家的兄弟——患有腿部残疾的弗莱迪（杰克·迪伦·格雷泽 Jack Dylan Grazer 饰）共同分享这份快乐，两人更将展现各种超能力的视频上传网络，流布四方。结果，心怀叵测的赛迪斯·希瓦纳博士（马克·斯特朗 Mark Strong 饰）找上门来。希瓦纳童年时曾与沙赞身份失之交臂，一直不受父亲兄长待见的他将灵魂出卖给七宗罪魔鬼，他更企图摧毁那个让他求之不得又恨之入骨的雷霆沙赞……

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……

位于非洲的神秘国家瓦坎达，凭借来自宇宙的振金而成为科技极度发达的国家，不过他们长久封闭，始终对外界保守这个秘密。在前国王死于联合国爆炸袭击后，特查拉王子（查德维克·博斯曼 饰）继任成为新的国王，同时他也是黑豹的继承者。登基之后，特查拉与前女友娜吉雅（露皮塔·尼永奥 饰）、贴身侍卫奥姆烨（丹娜·奎里拉 饰）追查曾经盗取振金并杀害瓦坎达人的尤利西斯·克劳（安迪·瑟金斯 饰）。一番厮杀后，克劳侥幸逃脱，谁知最终死于合伙人艾瑞克·克尔芒戈（迈克尔·B·乔丹 饰）之手。艾瑞克同样具有瓦坎达血统，而且当年他的父亲死在了自己的兄弟——特查拉父亲的手中。怀着莫大的仇恨，艾瑞克踏足瓦坎达，去争夺至高无上的王位……

拥有不死之身的死侍韦德·威尔森（瑞恩·雷诺兹 Ryan Reynolds 饰）继续在惩恶扬善、毒舌嘴贱的路上绝命狂奔，与此同时他和女友瓦内莎（莫蕾娜·巴卡林 Morena Baccarin 饰）的爱情逐渐升华，两人全新期待新生命的到来。谁知命运难测，因瓦内莎意外身亡，韦德万念俱灰，绝望地渴求生命的终结。在他最失落的时候，钢力士和少年弹头等将他领走，成为X战警中的一员。在某次行动中，死侍因袒护暴走的14岁变种人拉塞尔（朱利安·迪尼森 Julian Dennison 饰）而随同对方被关入冰盒监狱。没过多久，来自未来的电索（乔什·布洛林 Josh Brolin 饰）闯入监狱，意图杀死在未来引起无数灾难的拉塞尔。
为了阻止电索，逃离监狱的死侍找到一群战友与之对抗，而拉塞尔则朝着黑暗渐渐远去……

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……