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”……

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……

在一次挖地超人制造的大混乱中，超人家庭大力神巴鲍伯（格雷格·T·尼尔森 Craig T. Nelson配音）和弹力女超人巴荷莉（霍利·亨特 Holly Hunter 配音）和他们的子女巴小倩（莎拉·沃威尔 Sarah Vowell 配音）、巴小飞（赫克·米尔纳 Huck Milner 配音）使出浑身解数，然而不仅不能抓住狡猾的敌人，而且还因为对城市破坏太大而导致失去了政府的支持。此后不久，电信集团大亨温斯顿·狄弗（鲍勃·奥登科克 Bob Odenkirk 配音）通过酷冰侠鲁休斯（塞缪尔·杰克逊 Samuel L. Jackson 配音）找到鲍伯一家，希望将该公司的前沿技术应用到超人身上，更好地维护世界和平。可是狄弗只希望雇佣荷莉，偏偏荷莉大展雄风，成为了所有超人族群的偶像，这可令担任奶爸的鲍伯心有不甘。
而就在此时，神秘对手悄然出现，似乎正试图摧毁荷莉他们所建立的新和平……