心理学博士玛格丽特·麦瑟森擅长用科学的手段分析各种难以解释的超自然现象，对于所谓的超能力更是充满质疑。在助手汤姆·巴克利的协助下，她们深入乡间，戳穿了一个又一个“灵媒”的骗局。与此同时，曾经在20世纪60~70年代引起轰动的超能力者西蒙·希尔沃强势复出，引起新一波的热潮。玛格丽特曾让西蒙的弟子的原形毕露，可她始终回避与西蒙的正面对决。一些人的推波助澜似乎要将他们的对决变成可能，但玛格丽特却突然去世。 悲愤交加的汤姆决定独自挑战西蒙，他不知道自己即将面对的是什么

一对父子前往堪萨斯州，他们想在柯达公司最后一间柯达克罗姆胶卷（Kodachrome）实验室关闭前冲洗照片。

钢铁侠（小罗伯特·唐尼 饰）试图重启一个已经废弃的维和项目，不料该项目却成为危机导火索。世上最强大的超级英雄——钢铁侠、美国队长（克里斯·埃文斯 饰）、雷神（克里斯·海姆斯沃斯 饰）、绿巨人（马克·鲁法洛 饰）、黑寡妇（斯嘉丽·约翰逊 饰）和鹰眼（杰瑞米·雷纳 饰），不得不接受终极考验，拯救危在旦夕的地球。神秘反派奥创逐渐崛起，超级英雄们必须重新集结，竭力阻止奥创实施人类灭绝计划。世界秩序濒临崩溃，复仇者联盟必须阻止奥创的阴谋。强敌不断出现，一场空前绝后的全球浩战即将展开。

美国队长史蒂夫·罗杰斯（克里斯·埃文斯 饰）带领着全新组建的复仇者联盟，继续维护世界和平。然而，一次执行任务时联盟成员不小心造成大量平民伤亡，从而激发政治压力，政府决定通过一套监管系统来管理和领导复仇者联盟。联盟内部因此分裂为两派：一方由史蒂夫· 罗杰斯领导，他主张维护成员自由，在免受政府干扰的情况下保护世界；另一方则追随托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 饰），他令人意外地决定支持政府的监管和责任制体系。神秘莫测的巴基（塞巴斯蒂安·斯坦 饰）似乎成为内战的关键人物……

最先与灭霸军团遭遇的雷神索尔一行遭到惨烈打击，洛基遇害，空间宝石落入灭霸之手。未几，灭霸的先锋部队杀至地球，一番缠斗后掳走奇异博士。为阻止时间宝石落入敌手，斯塔克和蜘蛛侠闯入了敌人的飞船。与此同时，拥有心灵宝石的幻视也遭到外星侵略者的袭击，为此美国队长、黑寡妇等人将其带到瓦坎达王国，向黑豹求助。幸免于难的索尔与星爵一行相逢，随后他们兵分两路。索尔与火箭、格鲁特踏上再铸雷神之锤的旅程，星爵则与卡魔拉等人试图阻止灭霸的恶行。而知晓灵魂宝石下落的卡魔拉，同样是其义父灭霸追踪的对象。攸关整个宇宙命运的史诗战役全面展开，超级英雄们为了平凡而自由的生命奋不顾身……