隨著神盾局的淪陷，由東尼‧史塔克、史蒂芬‧羅傑斯、雷神索爾、娜塔莎‧羅曼諾夫、布魯斯‧班納、以及克林特‧巴頓組成的「復仇者聯盟」，透過「盟友」提供的情報而全員進攻九頭蛇位於東歐國家「蘇科維亞」的大型科研基地，領袖沃夫岡‧馮‧史特拉克釋出兩名以「齊塔瑞權杖」獲得超能力的兄妹皮特洛與汪達‧馬克希莫夫。皮特洛用超音速擊敗巴頓，汪達暗中用幻象術迷惑東尼的大腦，利用他心理的恐懼創傷動搖他。兩兄妹逃跑後，攻防戰仍以復仇者聯盟的勝利告終，史特拉克被軍方捕獲，權杖也被覆仇者回收。全體復仇者回到紐約的復仇者大樓，東尼分析權杖內部發現裡面的一種罕見的人工智慧生命體，被創傷所動搖的他而決定將其用於軍事方面。透過和班納夜以繼日的研究，兩人創造出名叫「奧創」的強大人工智慧。

奧創剛甦醒不久從網路調閱關於復仇者的種種資料，反而認為人類才是危害世界的源頭。奧創摧毀人工智慧管家賈維斯後，操縱一架破損機器人來到復仇者的慶祝派對現場，諷刺他們以殺人兇手身份來塑造英雄本色，操控其餘機器人發起攻擊時搶走權杖。奧創用網路將自己的意識回到蘇科維亞的九頭蛇基地，重啟史特拉克留下的機器人實驗拼湊一個全新機體和他的大量機器人，並召來皮特洛與汪達作為同伴。瑪莉亞‧希爾彙報奧創殺死獄中的史特拉克，但也找到一位和史特拉克合作的南非軍火商尤里西斯‧克勞，得知他掌有儲存於非洲隱密國家瓦干達的稀有金屬汎合金。

奧創來到克勞位於南非的海灣武器船廠拿走所有汎合金，還砍斷克勞的左手臂。復仇者們到達後與和船內傭兵正面交鋒，部分人在汪達的幻象術影響下，分別看到自己心中最深層的恐懼；除了索爾只看見於阿斯嘉特發生的末日景象。汪達還干擾班納的大腦，使他喪失理智而變成浩克跑到約翰尼斯堡大肆破壞。東尼將奧創摧毀後發現只是軀殼，之後換上自己與班納一同研發的反浩克戰甲才將失控的班納制伏。復仇者慘敗後集體撤離至巴頓位於郊區的安全屋，結識巴頓的妻子與孩子們，而尼克‧福瑞也再次現身激勵復仇者。索爾因在意他看見的幻象而脫隊，前去找艾瑞克‧賽維格來探討自己所看到的幻象。奧創在韓國首爾找到與復仇者合作的韓裔遺傳學家趙海倫，命令她立即著手「再生搖籃」：利用人造組織、汎合金與權杖中的黃色寶石，來製造一個完美無缺、更接近人類的身體。

意識傳輸期間，汪達透視奧創的大腦看見他企圖滅絕所有人類的真正目的，兄妹倆頓時發現他們在玩火自焚，汪達便解除海倫的心靈控制後使得連線斷開，與皮特洛背叛奧創後在第一時間逃跑。史蒂芬追上貨車與奧創對打，而皮特洛與汪達決定加入復仇者與奧創對抗。在貨車爭奪戰中，眾人成功奪回搖籃，但娜塔莎也被奧創抓走。東尼得到搖籃後決定將隱藏在網路中而倖存的賈維斯輸進搖籃中，導致史蒂芬、皮特洛與汪達在對此不滿下產生一點小衝突。索爾突然回歸併用雷電啟動搖籃，解釋自己這次出行瞭解到權杖中是六種無限寶石之一的心靈寶石。此刻，搖籃中的身體「幻視」在賈維斯的程式下甦醒，介紹自己雖然與奧創同是人工智慧機器人，但是會站在「生命」的一方。所有人跟隨娜塔莎發出的求救訊號回到蘇科維亞，首先爭取時間開始疏散城市市民。

奧創在城市正中央的教堂裡開啟他用汎合金製造的陸地合成器，並使整個蘇科維亞陸地開始往上升，企圖靠隕石撞擊來滅絕所有人類，最後讓機器人成為世界主宰。所有人想辦法阻止奧創時，班納來到基地救出娜塔莎，娜塔莎將他從高處推落釋放出浩克來支援。福瑞與希爾率領著修復更新完成的空中航母總部前來救援，在詹姆士‧羅德的空中支援下開始疏散市民。全體復仇者同心協力阻止成群的機器人，而奧創在網路痕跡被幻視封死且軍隊近乎所剩無幾的情況下只能搶戰機走為上策。巴頓在撤離前跑去拯救一個小男孩，奧創開始用機上的機槍掃射無線時，皮特洛犧牲自己救下巴頓一命而中數槍英勇陣亡。班納跳上飛機後將奧創扔出去，汪達將奧創的機器核心拔出作為復仇。合成器啟動導致整塊陸地開始全速下降，東尼與索爾互相合作透過能量撞擊，使得合成器超載而在空中蒸發。危機之後，浩克因內疚而坐著無法追蹤的戰機銷聲匿跡；劫後餘生的奧創將意識轉移至一架僅存的機器人打算逃跑，幻視找到他並談論起人類的存活權利後，發射能量光束將奧創徹底消滅。

事後，復仇者們得到一個由福瑞、希爾、海倫與艾瑞克組建的復仇者基地，索爾決定親自去調查無限寶石的事情而離開地球，東尼與巴頓也決定暫時隱退安享人生。此時，娜塔莎正因為班納的離去而默默傷心，史蒂芬安慰她並集結復仇者聯盟的新成員：羅德、幻視、山姆‧威爾森、以及汪達，繼續在世界各地執行反恐與救援的使命。但在宇宙的另一邊，於幕後監控一切的薩諾斯，再也無法忍受失敗後戴上無限手套，打算親自執行自己的使命。