由于在“内战”中站到了美国队长一方，蚁人斯科特·朗（保罗·路德 饰）遭到了FBI的禁足惩罚。眼看离真正的自由还有几天功夫，偏偏麻烦找上门来。原来初代蚁人汉克·皮姆（迈克尔·道格拉斯 饰）通过研究发现，他的妻子黄蜂女（米歇尔·菲佛 饰）一定还活在量子领域，而斯科特是能够将妻子带回现实世界的唯一希望。不由分说，汉克的女儿霍普（伊万杰琳·莉莉 饰）将斯科特带出房间。此后不久，他们不仅要躲避FBI的纠缠，更要提防来自神秘势力的袭击，而“幽灵”的出现更将斯科特等人带向前所未有的混乱当中。

在高华大学变异的经历总在重演，关于军方通缉的亦围绕在脑海，科学家Bruce Banner（爱德华·诺顿 饰）就在这样的梦魇下在巴西一边控制着体内的伽马辐射带来的异常，一边努力和纽约的蓝先生寻求解决办法。
在汽水生产厂房的他一日不小心割伤手指，让血滴入了汽水瓶，远销到美国的这瓶汽水暴露了他的行踪。美国军方穷尽能力追捕他，还找来求胜心切的英国霹雳将军Emil Blonsky（蒂姆·罗斯 饰）。被逼到绝路的Bruce变身为绿巨人，Emil和其他军人都大吃一惊。为了亲手擒住Bruce，Emil建议给自己注入可使基因变异的样本。
Bruce在美国隐匿时遇到旧女友Betty Ross（丽芙·泰勒 饰），Betty义无反顾地站在他一边，同时发现，她拥有令他体内绿巨人安稳的力量。
那边Emil已经被求胜蒙蔽了眼睛，他的寻衅加上美国军方极度想利用Bruce体内异能作为残暴行径的决心，一场大战已经避无可避。

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……