特工斯特拉顿的同事马蒂在一次任务中不幸丧生。斯特拉顿就此得知一名叛逃了的前苏联特工巴罗夫斯基拥有一批极为危险的生化武器，如今，他企图用这批生化武器来事实复仇大计。为了阻止巴罗夫斯基的阴谋，斯特拉顿来到了罗马。汉克是马蒂最好的朋友，亦是行动小队中的一员，仇恨冲昏了他的头脑，他的失误导致整个行动计划失败了，巴罗夫斯基从他们的眼皮子底下逃之夭夭。一行人只得再度回到伦敦，重新计划，留给他们的时间不多了。

亚历克斯专门负责大型刑事案件的侦查和侦破。一名台湾女孩在一栋豪宅内遭受性虐杀，连同她的私人保镖等数人也都无一幸免，亚历克斯奉命接受此案的调查。而这起凶案似乎与环杀手迈克尔有关。

一股突如其来的强大邪恶势力对地球造成致命威胁，没有任何一个超级英雄能够单独抵挡。长期致力于保护全球安危的神盾局（SHIELD）感到措手不及，其指挥官“独眼侠”尼克·弗瑞（塞缪尔·杰克逊 Samuel L. Jackson 饰）意识到他必须创建一个“史上最强”的联盟组织， 云集各方超级英雄一起发威，才能拯救世界于水深火热，抵御黑暗势力的侵袭。于是由六大超级英雄——“钢铁侠”（小罗伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 饰）、“雷神” （克里斯·海姆斯沃斯 Chris Hemsworth 饰）、“美国队长”（克里斯·埃文斯 Chris Evans 饰）、“绿巨人” （马克·鲁弗洛 Mark Ruffalo 饰）、“黑寡妇”（斯嘉丽·约翰逊 Scarlett Johansson 饰）和“鹰眼”（杰瑞米·雷纳 Jeremy Renner 饰）组成的 “复仇者联盟”应运而生。他们各显神通，团结一心，终于战胜了邪恶势力，保证了地球的安全。

塞博坦星内战如火如荼，在危机时刻，擎天柱将大黄蜂派往地球，等待重新建立基地的时机。此后，大黄蜂降落在1987年的加州，谁知不仅先遭到特工杰克·伯恩斯（约翰·塞纳 John Cena 饰）的围捕，更被尾随而来的霸天虎成员殴至重伤，失去了声音的同时还丧失了记忆。另一方面，正在叛逆期的少女查莉·沃特森（海莉·斯坦菲尔德 Hailee Steinfeld 饰）阴差阳错得到了变形成大众甲壳虫的大黄蜂，双方相互试探，进而成为亲密无间的好朋友，同时也闹出了不少的笑话。好景不长，霸天虎成员粉碎和反弹球追至地球，他们先是骗取美国政府的信任，通过卫星网络找到大黄蜂的踪迹，之后更企图将霸天虎大部队召唤到这里。 逐渐恢复记忆的大黄蜂，决心凭借一己之力保护新朋友和这个美丽的蓝色星球……

在老朋友苏珊·普拉默遭遇不测后，黑帮终结者麦考尔重出江湖，与新晋加盟的佩德罗·帕斯卡联手伸张正义以暴制暴。