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……

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……

托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 饰）试图重启一个已经废弃的维和项目，不料该项目却成为危机导火索。世上最强大的超级英雄——钢铁侠、美国队长（克里斯·埃文斯 饰）、雷神（克里斯·海姆斯沃斯 饰）、绿巨人（马克·鲁弗洛 饰）、黑寡妇（斯嘉丽·约翰逊 饰）和鹰眼（杰瑞米·雷纳 饰），不得不接受终极考验，拯救危在旦夕的地球。神秘反派奥创（詹姆斯·斯派德 配音）逐渐崛起，超级英雄们必须重新集结，竭力阻止奥创实施人类灭绝计划。战斗中，复仇者联盟成员们还遇到了两个新人物——旺达·马克西莫夫（伊丽莎白·奥尔森 饰）和皮特罗·马克西莫夫（亚伦·泰勒-约翰逊 饰），以及以全新面目归来的老朋友——幻视（保罗·贝坦尼 饰）。
世界秩序濒临崩溃，复仇者联盟必须阻止奥创的阴谋。强敌不断出现，一场空前绝后的全球浩战即将展开……