上世纪40年代，纳粹及其邪恶轴心的战火烧遍世界各个角落。居住在布鲁克林的小个子史蒂夫·罗格斯（克里斯·埃文斯 饰）心系国家，一心上阵杀敌，可是糟糕的体格让他始终被征兵办拒之门外。偶然的机会，在德籍科学家厄斯金博士（斯坦利·图齐 饰）的帮助下，这个小个子男孩得以走入兵营，并接受了博士的试验，化身成为高大健壮、膂力过人的超级战士。与此同时，德国纳粹红骷髅部队的首领约翰·施密特（雨果·维文 饰）依靠超自然的力量建立起一支超级战队，企图称霸全世界。
为了营救好友，史蒂夫以美国队长的形象闯入施密特的军营，正邪两大超级战士的战斗就此展开……

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。

钢铁侠托尼·斯塔克在国会听证上拒绝交出最新技术。与此同时，他发现胸口的微型电弧反应炉正迅速造成血液的钯金属中毒。沮丧的托尼将斯塔克公司的职务交予了秘书波兹，由她全权负责正在进行的纽约斯塔克博览会。波兹从法律部门调来助理娜塔莉照顾托尼。托尼在媒体前的高调亮相引起了其父当年同事的儿子，伊凡的不满。为了实施报复，他子承父业，研制出了一套可与钢铁战衣相媲美的装备。伊凡的技术引起了托尼的竞争对手，军火商贾斯丁·汉默的注意，他设法将伊凡劫持出狱，秘密研究取代钢铁侠。正当托尼苦于钯金属中毒造成的失意之时，他发现娜塔莉原来身负秘密使命，而自己的任性，也造成了与好友空军上校罗德斯的反目，眼看局势就要失控……

斯塔克军火公司是美军在全球范围内第一大军火供应商，其新任掌门人托尼·斯塔克风流倜傥，天资聪颖。他与公司元老俄巴迪亚·斯坦合作无间，共同将斯塔克公司的业务推向顶峰。现实生活中的托尼热衷收集名贵跑车，搞点儿发明创造，当然露水姻缘更不可少。所幸他身边有维吉尼亚·波茨这样的好助手细心打理一切，才让他能自由自在过着贵公子的生活。在前往中东为军方展示新型武器的途中，托尼一众遭到恐怖分子袭击。他被弹片击中险些丧命，在英森博士的帮助下，托尼体内移植了一颗核动力的人工心脏。恐怖分子要求托尼制造强大的杀伤性武器，他和英森虚与委蛇，暗中制造了一套由聚变能源驱动的钢铁盔甲。穿上盔甲托尼大闹恐怖分子的基地，回到美国后又对其进行了改进。却不知，接下来有更为黑暗的阴谋等着他……

勇敢善战雷神托尔（克里斯•海姆斯沃斯 饰），作为永恒境界阿斯加德的王位继承人，受人敬仰。然而由于一次鲁莽的行动，险些挑起一场古老的战争，因此被父亲天神奥丁（安东尼•霍普金斯 饰）流放到人间。托尔在人间认识了 美丽的女科学家珍•福斯特（娜塔莉•波特曼 饰）和她的工作伙伴，在他们的帮助下，托尔找到了和自己一起被贬的雷神之锤，但此时的雷神之锤并不属于他。此间，托尔的弟弟洛基为了成为阿斯加德的王，居然联合寒冰巨人，企图在永恒境界掀起一场腥风血雨。为了维持永恒之界的法度，托尔的四位朋友也来到人间，他们决定带托尔返回永恒之境。此时，为了阻止雷神重归永恒境界，洛基派出巨人杀死托尔。丧失能力和法战的托尔为了保护无辜的人类与自己的朋友，献出了自己的生命。托尔的死打破了天神的的咒语，托尔复活并重获雷神之力战胜巨人。此时，天神生命危在旦夕，托尔必须与自己的朋友们重返永恒之界，维护那里的法度……