随着神盾局的沦陷，由东尼·史塔克、史蒂芬·罗杰斯、雷神索尔、娜塔莎·罗曼诺夫、布鲁斯·班纳、以及克林特·巴顿组成的「复仇者联盟」 ，透过“盟友”提供的情报而全员进攻九头蛇位于东欧国家「苏科维亚」的大型科研基地，领袖沃夫冈·冯·史特拉克释出两名以「齐塔瑞权杖」获得超能力的兄妹皮特洛与汪达·马克希莫夫。皮特洛用超音速击败巴顿，汪达暗中用幻象术迷惑东尼的大脑，利用他心理的恐惧创伤动摇他。两兄妹逃跑后，攻防战仍以复仇者联盟的胜利告终，史特拉克被军方捕获，权杖也被复仇者回收。全体复仇者回到纽约的复仇者大楼，东尼分析权杖内部发现里面的一种罕见的人工智能生命体，被创伤所动摇的他而决定将其用于军事方面。透过和班纳夜以继日的研究，两人创造出名叫「奥创」的强大人工智能。
奥创刚苏醒不久从网络调阅关于复仇者的种种资料，反而认为人类才是危害世界的源头。奥创摧毁人工智能管家贾维斯后，操纵一架破损机器人来到复仇者的庆祝派对现场，讽刺他们以杀人凶手身份来塑造英雄本色，操控其余机器人发起攻击时抢走权杖。奥创用网络将自己的意识回到苏科维亚的九头蛇基地，重启史特拉克留下的机器人实验拼凑一个全新机体和他的大量机械人，并召来皮特洛与汪达作为同伴。玛莉亚·希尔汇报奥创杀死狱中的史特拉克，但也找到一位和史特拉克合作的南非军火商尤里西斯·克劳，得知他掌有储存于非洲隐密国家瓦干达的稀有金属泛合金。
奥创来到克劳位于南非的海湾武器船厂拿走所有泛合金，还砍断克劳的左手臂。复仇者们到达后与和船内佣兵正面交锋，部分人在汪达的幻象术影响下，分别看到自己心中最深层的恐惧；除了索尔只看见于阿斯加德发生的末日景象。汪达还干扰班纳的大脑，使他丧失理智而变成浩克跑到约翰尼斯堡大肆破坏。东尼将奥创摧毁后发现只是躯壳，之后换上自己与班纳一同研发的反浩克战甲才将失控的班纳制伏。复仇者惨败后集体撤离至巴顿位于郊区的安全屋，结识巴顿的妻子与孩子们，而尼克·福瑞也再次现身激励复仇者。索尔因在意他看见的幻象而脱队，前去找艾瑞克·赛维格来探讨自己所看到的幻象。奥创在韩国首尔找到与复仇者合作的韩裔遗传学家赵海伦，命令她立即着手「再生摇篮」：利用人造组织、泛合金与权杖中的黄色宝石，来制造一个完美无缺、更接近人类的身体。
意识传输期间，汪达透视奥创的大脑看见他企图灭绝所有人类的真正目的，兄妹俩顿时发现他们在玩火自焚，汪达便解除海伦的心灵控制后使得连线断开，与皮特洛背叛奥创后在第一时间逃跑。史蒂芬追上货车与奥创对打，而皮特洛与汪达决定加入复仇者与奥创对抗。在货车争夺战中，众人成功夺回摇篮，但娜塔莎也被奥创抓走。东尼得到摇篮后决定将隐藏在网络中而幸存的贾维斯输进摇篮中，导致史蒂芬、皮特洛与汪达在对此不满下产生一点小冲突。索尔突然回归并用雷电启动摇篮，解释自己这次出行了解到权杖中是六种无限宝石之一的心灵宝石。此刻，摇篮中的身体「幻视」在贾维斯的程序下苏醒，介绍自己虽然与奥创同是人工智能机械人，但是会站在「生命」的一方。所有人跟随娜塔莎发出的求救信号回到苏科维亚，首先争取时间开始疏散城市市民。
奥创在城市正中央的教堂里开启他用泛合金制造的陆地合成器，并使整个苏科维亚陆地开始往上升，企图靠陨石撞击来灭绝所有人类，最后让机器人成为世界主宰。所有人想办法阻止奥创时，班纳来到基地救出娜塔莎，娜塔莎将他从高处推落释放出浩克来支援。福瑞与希尔率领着修复升级完成的空中航母总部前来救援，在詹姆斯·罗德的空中支援下开始疏散市民。全体复仇者同心协力阻止成群的机器人，而奥创在网路痕迹被幻视封死且军队近乎所剩无几的情况下只能抢战机走为上策。巴顿在撤离前跑去拯救一个小男孩，奥创开始用机上的机枪扫射地面时，皮特洛牺牲自己救下巴顿一命而中数枪英勇阵亡。班纳跳上飞机后将奥创扔出去，汪达将奥创的机器核心拔出作为复仇。合成器启动导致整块陆地开始全速下降，东尼与索尔互相合作透过能量撞击，使得合成器超载而在空中蒸发。危机之后，浩克因内疚而坐着无法追踪的战机销声匿迹；劫后余生的奥创将意识转移至一架仅存的机器人打算逃跑，幻视找到他并谈论起人类的存活权利后，发射能量光束将奥创彻底消灭。
事后，复仇者们得到一个由福瑞、希尔、海伦与艾瑞克组建的复仇者基地，索尔决定亲自去调查无限宝石的事情而离开地球，东尼与巴顿也决定暂时隐退安享人生。此时，娜塔莎正因为班纳的离去而默默伤心，史蒂芬安慰她并集结复仇者联盟的新成员：罗德、幻视、山姆·威尔森、以及汪达，继续在世界各地执行反恐与救援的使命。但在宇宙的另一边，于幕后监控一切的萨诺斯，再也无法忍受失败后戴上无限手套，打算亲自执行自己的使命。
