自纽约事件以来，托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 饰）为前所未有的焦虑症所困扰。他疯狂投入钢铁侠升级版的研发，为此废寝忘食，甚至忽略了女友佩珀·波茨（格温妮斯·帕特洛 饰）的感受。与此同时，臭名昭著的恐怖头目曼达林（本·金斯利 饰）制造了一连串的爆炸袭击事件，托尼当年最忠诚的保镖即在最近的一次袭击中身负重伤。未过多久，托尼、佩珀以及曾与他有过一面之缘的女植物学家玛雅（丽贝卡·豪尔 饰）在家中遭到猛烈的炮火袭击，几乎丧命，而这一切似乎都与22年前那名偶然邂逅的科学家阿尔德里奇·基连（盖·皮尔斯 饰）及其终极生物的研究有关。
即使有精密先进的铠甲护身，也无法排遣发自心底的焦虑。被击碎一切的托尼，如何穿越来自地狱的熊熊烈火……

2029年，变种人大幅减少，X战警早已解散。身心疲惫的金刚狼罗根的自愈因子逐渐消失，整天饮酒度日，靠当司机养家。他在墨西哥边境隐居，并照顾着饱受病痛折磨的老X教授。有一天，一位陌生女子让罗根送一个叫劳拉的女孩去加拿大边境，一开始罗根拒绝了，但查尔斯一直在等着这个女孩的出现，劳拉拥有超强的战斗力，而且在许多方面都很像金刚狼。她被一个强大公司的幕后人物所追踪，因为她的DNA里有连接罗根的秘密，一场无休止的追捕由此展开。

年轻的X教授查尔斯（詹姆斯·麦卡沃伊 James McAvoy 饰）和万磁王埃里克（迈克尔·法斯宾德 Michael Fassbender 饰）是一对志向相投的好朋友。他们最早发现了自己的超能力，并与其他几个变种人一起在CIA工作。引发埃里克超能力的纳粹战争贩子肖（凯文·贝肯 Kevin Bacon 饰）一直试图挑起核战争，而想方设法挑起美苏两国的矛盾。埃里克和查尔斯一直与肖手下的变种人战斗，努力阻止肖的阴谋。肖怂恿苏联引发古巴导弹危机，查尔斯和埃里克获知消息后，在海湾与肖手下的变种人拉开了对决的一战。最终，肖被查尔斯和埃里克合力消灭。可是，在这个过程中，埃里克逐渐被肖的政治观点影响，与查尔斯产生裂痕。通过海湾的这一战，埃里克和查尔斯最终决裂，一方变成支持人类与变种人和平共存的X教授；另一方坚持通过消灭人类换来变种人兴起的观点，自称万磁王......

彼得·奎尔（克里斯·帕拉特 饰）是一名从小被劫持到外太空的地球人，在义父勇度（迈克尔·鲁克 饰）的培养下成了一个终极混混，自称“星爵”。一次行动中他偷了一块神秘球体，便成为了赏金猎人火箭浣熊（布莱德利·库珀 配音）、树人格鲁特（范·迪塞尔 配音）的绑架目标，而神秘的卡魔拉（佐伊·索尔达娜 饰）也对神秘球体势在必得。经过笑料百出的坎坷遭遇，星爵被迫和这三人，以及复仇心切的“毁灭者”德拉克斯（戴夫·巴蒂斯塔 饰）组成小分队逃避“指控者”罗南（李·佩斯 饰）的追杀。然而这个神秘球体拥有无穷的力量，小分队必须团结一致对付罗南，才有可能解救整个银河系，银河护卫队由此诞生。

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。

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”……