故事从一股强大的力量从宇宙魔方中涌现开始，邪神洛基（汤姆·希德勒斯顿饰）随之而来，带走了宇宙魔方，摧毁了实验现场，令全球保卫组织“神盾局”措手不及。在这一紧急关头，指挥官“独眼侠”尼克·弗瑞（塞缪尔·L·杰克逊饰）明白，只有通过创建一个无与伦比的联盟组织，才能够挽救世界于水深火热之中。

于是，六位卓越的超级英雄集结起来，他们分别是“钢铁侠”托尼·史塔克（小罗伯特·唐尼饰）、“雷神”索尔·奥丁森（克里斯·海姆斯沃斯饰）、“美国队长”史蒂夫·罗杰斯（克里斯·埃文斯饰）、“绿巨人”布鲁斯·班纳（马克·鲁法洛饰）、“黑寡妇”娜塔莎·罗曼诺夫（斯嘉丽·约翰逊饰）和“鹰眼”克林特·巴顿（杰瑞米·雷纳饰）。这支超级英雄团队成为了“复仇者联盟”，它们各自拥有独特的能力，但却能够团结一心，面对来自外星的邪恶势力，捍卫地球的安全。