Irak 2004, zu einem frühen Zeitpunkt der Besetzung des Irak: Ein Team des Explosive Ordnance Disposal (EOD) der US-Armee verliert seinen Vorgesetzten, Sergeant Thompson, bei der Räumung einer getarnten Bombe. Der kampferprobte und ruppige Sergeant James soll ihn ersetzen. James, der zuvor in Afghanistan im Einsatz war, ist völlig anders als sein fürsorglicher Vorgänger, und so kommt es während der ersten Einsätze bald zu Spannungen im Team. Sergeant James beweist sich als waghalsiger Draufgänger, der nicht viel davon hält, mit seinem Team zu kommunizieren. Sergeant Sanborn und Specialist Eldridge zweifeln bald, ob sie mit James als Teamleiter die wenigen Tage bis zur Heimreise überleben.

Im Jahr 965 n. Chr. beabsichtigen die Eisriesen aus der Eiswelt Jotunheim, auf der Erde eine neue Eiszeit herbeizuführen. Die von Göttervater Odin regierten Asen stellen sich ihnen jedoch entgegen und bezwingen sie in einer großen Schlacht. Odin ringt Laufey, dem König der Eisriesen, einen Waffenstillstand ab und nimmt ihm die „Urne“, die Quelle seiner Macht. Auch Laufeys neugeborenen Sohn, den außergewöhnlich kleinen Eisriesen Loki, bringt Odin nach Asgard und zieht ihn als seinen eigenen Sohn auf.

In einer geheimen Forschungsanlage mit dem Namen Projekt Pegasus arbeitet die Organisation S.H.I.E.L.D. daran, den Tesserakt (siehe Captain America: The First Avenger) als eine unerschöpfliche Energiequelle einzusetzen. Allerdings ist der aus Asgard stammende Würfel auch ein interdimensionaler Portalöffner, und eine außerirdische Macht, die Chitauri, will damit die Erde erobern. Zu diesem Zweck haben sie ein Bündnis mit dem Asen Loki geschlossen, der die Geheimnisse des Würfels kennt (siehe Thor). Mit seinem Zepter öffnet Loki durch den Tesserakt ein Portal im Inneren von Projekt Pegasus, dringt in die Anlage ein und bringt nach kurzem Kampf einige Mitarbeiter des Projekts um Dr. Selvig und den S.H.I.E.L.D.-Spezialagenten Clint Barton (Hawkeye) durch Gedankenkontrolle in seine Gewalt. Mit deren Hilfe nimmt er den Tesserakt an sich und flüchtet aus der Anlage, die daraufhin durch das instabil gewordene Portal komplett zerstört wird.

Aaron Cross nimmt an einem geheimen Regierungsprojekt mit dem Codenamen Operation Outcome teil, in dessen Rahmen Soldaten durch die Einnahme von blauen und grünen Pillen ihre körperlichen und geistigen Fähigkeiten außerordentlich steigern können. In diesem Zusammenhang absolviert er ein Spezialtraining in Alaska. In einer abgelegenen Hütte trifft er auf einen weiteren Teilnehmer des Regierungsprojekts, der lediglich Nummer 3 genannt wird.

Der Trickbetrüger Irving Rosenfeld führt 1978 im Großraum New York ein gutes Leben. Mit seiner Frau Rosalyn ist er nicht glücklich, kann sie jedoch nicht verlassen, weil sie ihm androht, ihm dann den Kontakt zu seinem geliebten Adoptivsohn Danny zu verwehren. Irvings Geliebte Sydney Prosser hilft ihm bei den Trickbetrügereien, indem sie sich als die adlige Britin „Edith Greensley“ ausgibt und Kontakte zu britischen Banken vortäuscht.

In der (fiktiven) osteuropäischen Stadt Sokovia kämpfen sich die Avengers durch die Armee von Baron von Strucker, um Lokis Zepter zu bergen, welches Hydra nach der Auflösung von S.H.I.E.L.D. in die Hände gefallen ist. Von Strucker wird von den Avengers gefangen genommen. Im Keller seiner Festung entdeckt Tony Stark eine versteckte Roboterfabrik. Die Zwillinge Pietro und Wanda Maximoff, die beide durch von Strucker mit Superkräften ausgestattet worden sind, halten sich ebenfalls im Gebäude auf. Wanda gelingt es unbemerkt, ihre psychischen Kräfte bei Stark spielen zu lassen, woraufhin er in einer Vision hilflos den Tod seiner Teamgefährten und die Zerstörung der Erde durch außerirdische Invasoren miterleben muss.

Der Film öffnet mit einem Rückblick auf den 16. Dezember 1991, an welchem eine geheime HYDRA-Basis in Sibirien geöffnet und der dort darin in Cryostasis ruhende Winter Soldier für eine Mission reaktiviert wird. In Folge dieses Auftrags drängt er einen Wagen von einer Waldstraße ab, bringt dessen Insassen um und nimmt eine Ladung von Präparaten an sich, die in diesem Fahrzeug transportiert wurden.

Der Film beginnt damit, dass die Linguistin Dr. Louise Banks das Leben ihrer Tochter vor ihrem inneren Auge vorüberziehen sieht, die als junge Frau an einer seltenen Krankheit gestorben ist.Die Haupthandlung setzt ein, als zwölf außerirdische Raumschiffe an unterschiedlichen Punkten auf der Erde ankommen. Banks, zu diesem Zeitpunkt noch kinderlos, und der Physiker Ian Donnelly werden von US-Colonel Weber für ein US-amerikanisches Team engagiert, das mit den in Montana gelandeten fremden Wesen Kontakt aufnehmen soll, nachdem erste Versuche durch Militär und Geheimdienste erfolglos geblieben waren. Das wegen seiner Form als „Muschel“ bezeichnete 450 m hohe schwarze, monolithisch wirkende Raumschiff öffnet alle 18 Stunden einen die Schwerkraft manipulierenden Schacht und ermöglicht so den Menschen, es zu betreten.

Cory Lambert ist im Indianerreservat „Wind River“ in Wyoming als Weißer beim United States Fish and Wildlife Service als Wildhüter angestellt. Er macht vor allem Jagd auf Raubtiere, die den Viehbestand gefährden. Bei einer seiner Touren durch die Wildnis entdeckt er im Schnee die barfüßige Leiche der indigenen 18-jährigen Natalie, der besten Freundin seiner verstorbenen Tochter. Zur Untersuchung des Vorfalls entsendet das FBI die weiße, in Las Vegas stationierte Agentin Jane Banner. Sie ist nur unzureichend auf das winterliche Wetter und die Mentalität der Menschen vor Ort vorbereitet; die soziale Lage im Reservat ist geprägt von Perspektivlosigkeit, Armut, ethnischen Konflikten und sexualisierter Gewalt. Der Chef der örtlichen Stammes-Polizei ist mit nur sechs Beamten für ein Gebiet von mehr als 3000 km² zuständig. Das entspricht der Fläche Rhode Islands. Da Banner nicht ortskundig ist, heuert sie Lambert als Führer an. Er erzählt ihr, dass auch seine Tochter drei Jahre zuvor unter ungeklärten Umstände

Nach der Dezimierung durch Thanos befinden sich Tony und Nebula im Schiff der Guardians, der Benatar, auf dem Rückweg zur Erde. Tonys Verletzungen konnten von Nebula versorgt werden, doch nach wenigen Wochen versagt der Antrieb des Schiffes, sie treiben fernab jedweder Zivilisation durchs All und die Nahrungsvorräte und der Sauerstoff gehen zu Neige. Den sicheren Tod vor Augen nimmt Tony mit seinem Iron-Man-Helm eine Abschiedsbotschaft für Pepper auf, wird aber wenig später durch die von der Erde ausgesandte Captain Marvel gerettet. Diese bringt das Schiff sicher zum Avengers-Hauptquartier, wo der völlig abgemagerte Tony und Nebula von Pepper, Steve, Rhodey, Natasha, Thor, Rocket und Bruce empfangen werden.