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。

电影主要讲述一个紧张刺激的科幻故事。来自外星的约翰·史密斯为了躲避杀戮逃到地球，他是幸存的九个青少年之一，并是其中的第四号。

故事发生在60年代，一群无赖DJ迷惑了整个英国，他们以音乐为界限“党同伐异”和政府作对，甚至逆潮流而动推行起爵士乐。此时，在北海领域的一艘船上，几位DJ自己建起了海盗电台传播着摇滚乐：有从美国来了一次大麻之旅“学成回国”的全英最好的DJ加文、有尖酸刻薄却聪明有趣的戴夫以及粗鲁的美国老板昆汀……在“天高皇帝远”的海面上，这群嬉皮中年恣意的享受着自由生活……

未来世界的超级都市旧京山（San Fransokyo），热爱发明创造的天才少年小宏，在哥哥泰迪的鼓励下参加了罗伯特·卡拉汉教授主持的理工学院机器人专业的入学大赛。他凭借神奇的微型磁力机器人赢得观众、参赛者以及考官的一致好评，谁知突如其来的灾难却将小宏的梦想和人生毁于一旦。大火烧毁了展示会场，而哥哥为了救出受困的卡拉汉教授命丧火场。身心饱受创伤的小宏闭门不出，哥哥生前留下的治疗型机器人大白则成为安慰他的唯一伙伴。原以为微型机器人也毁于火灾，谁知小宏和大白竟意外发现有人在某座废弃工厂内大批量地生产他的发明。 稍后哥哥的朋友们弗雷德等人也加入进来，他们穿上小宏发明的超级战士战斗装备，和怀有险恶阴谋的神秘对手展开较量……

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。