Человечество находится на грани полного уничтожения. Альтрон (Altron) – искусственный интеллект, который был создан для защиты Земли, теперь сам же и поставил людей под угрозу. Международная оборонная организация Щ.И.Т. (S.H.I.E.L.D.) бессильна в такой ситуации. Членам ее команды не остается ничего другого, кроме как обратится за помощью к великим и могущественным Мстителям.
Несмотря на то, что в оригинальных комиксах главного злодея – Альтрона – создал учёный Хэнк Пим (Hank Pym), в «Мстителях» он станет творением рук Тони Старка (Tony Stark). В то же время, киностудия не забыла и о докторе Пиме: ему будет посвящена другая кинолента – «Человек-муравей».
Помимо героев из прошлой части истории – Железного человека (Iron Man), Капитана Америка (Captain America), Халка (Hulk), Тора (Thor), Чёрной вдовы (Black Widow) и Соколиного глаза (Hawkeye), в сиквеле мы также увидим других супергероев – Ртуть (Quicksilver), Вижена (Vision), Воителя (War Machine) и Алую Ведьму (Scarlet Witch). Главным злодеем в киноленте станет Альтрон, среди его помощников значатся Вижен, Алая Ведьма и Ртуть. Также в истории появится Барон фон Стракер (Baron von Strucker), но ему отведена незначительная роль. Примечательно, что в этом фильме зрители впервые в истории киновселенной Marvel увидят Тора без своего сводного брата Локи (Loki).