故事发生在1987年的美国，阿黛尔和亨利是一对相依为命的母子。一次偶然中，两人在遇见了满身是血的流浪汉弗兰克，误打误撞之下，阿黛尔和亨利将弗兰克带回了家，弗兰克亦诚恳地坦白了他灰暗的过往。原来，弗兰克是一名逃犯，他因为发现深爱的儿子并非自己亲生而在愤怒之中失手杀死了女友曼迪。随着时间的推移，弗兰克和阿黛尔之间的关系越来越亲密，两人决定带着亨利远走高飞。然而，正当计划即将顺利实施之时，亨利却将这个秘密告诉了早熟的女孩莲诺，这一举动为阿黛尔和弗兰克带来了灾难性的麻烦。

勇敢善战的雷神（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。雷神在人间认识了美丽的女科学家简·福斯特（娜塔莉·波特曼 饰）和她的工作伙伴，在他们的帮助下，雷神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，雷神的弟弟洛基（汤姆·希德勒斯顿 饰）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，雷神的四位朋友也来到人间，他们决定带雷神返回永恒之境。此时，为了阻止雷神重归永恒境界，洛基派出巨人杀死雷神。丧失能力和法战的雷神为了保护无辜的人类与自己的朋友，献出了自己的生命。雷神的死打破了天神的咒语，雷神复活并重获雷神之力战胜巨人。天神生命危在旦夕，雷神必须与自己的朋友们重返永恒之界，维护那里的法度……

漫画中的初代“惊奇女士”原名Carol Danvers，她曾经是一名美国空军情报局探员，暗恋惊奇先生。此后她得到了超能力，成为“惊奇女士”，在漫画中是非常典型的女性英雄人物。 她可以吸收并控制任意形态的能量，拥有众多超能力。《惊奇队长》将是漫威首部以女性超级英雄为主角的电影。

钢铁侠托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 饰）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总裁职务交予了秘书波茨（格温妮丝·帕特洛 饰），由她全权负责正在进行的纽约斯塔克博览会。波茨从法律部门调来助理娜塔莉（斯嘉丽·约翰逊 饰）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（米基·洛克 饰）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（山姆·洛克威尔 饰）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尼（唐·钱德尔 饰）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（小罗伯特·唐尼 饰）风流倜傥，天资聪颖。他与公司元老俄巴迪亚·斯坦（杰夫·布里吉斯 饰）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·斯塔克热衷收集名贵跑车，搞点儿发明创造，当然露水姻缘更不可少。所幸他身边有波茨（格温妮丝·帕特洛 饰）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·斯塔克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（肖恩·托布 饰）的帮助下，托尼·斯塔克体内移植了一颗核动力的人工心脏。恐怖分子要求托尼·斯塔克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·斯塔克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……