影片设定在一个由精灵、巨魔和灵魂等组成的郊外幻想世界，在那里独角兽在垃圾桶中穿行，像是有着糖果条纹的负鼠。影片提供了一个前提，即魔法是真实的，但它早已被现代技术所遗忘和取代。一对十几岁的兄弟，在他们尚不更事时父亲便已离世，他们决定进入这个幻想世界，与父亲共度最后一个神奇的日子。霍兰德配音弟弟伊安、帕拉特配音聒噪的哥哥、德瑞弗斯配音兄弟二人的母亲、斯宾瑟则会利用其声线的优势。

故事发生在19世纪的英国，第二次工业革命正在如火如荼的推进之中，当时最知名的两位电力企业家分别是爱迪生（本尼迪克特·康伯巴奇 Benedict Cumberbatch 饰）和威斯汀豪斯（迈克尔·珊农 Michael Shannon 饰），他们将彼此视作是自己的死对头，势均力敌，针锋相对。
爱迪生是直流电的发明者，他高傲，自大，野心满满，在当时树敌颇多。某日，一位名为特斯拉（尼古拉斯·霍尔特 Nicholas Hoult 饰）的男子发明出了异于爱迪生的交流电，为了抢占市场，威斯汀豪斯火速向特斯拉抛出了橄榄枝，邀请他为自己工作。交流电的出现再一次改观了人们对电力的理解，大大推动了革命进程。

兰斯与沃尔特，前者是超级炫酷又迷人的间谍，后者负责发明兰斯使用的各种炫酷小道具。危难当头，他们必须团结一致才能拯救世界。

在与灭霸史诗般的战争结束后，地球似乎暂时回归和平。皮特（汤姆·赫兰德 饰）回到了校园生活之中，他和好友相谈甚欢，并且有了心仪的女孩，然而内心最深处依然放不下对钢铁侠的追悼缅怀。去往欧洲游学的路上，皮特试图找机会和个性女孩米歇尔（赞达亚 饰）表白，谁知接连出现的元素怪兽打乱了他的表白计划。在这一过程中，与神盾局合作的神秘客（杰克·吉伦哈尔 饰）挺身而出，击退怪兽。自感不堪大任的皮特谢绝了尼克·弗瑞（塞缪尔·杰克逊 饰），情愿将钢铁侠继承者的重任交到神秘客手中。
令他意想不到的是，更可怕的危机接二连三袭来……

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……

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……