影片讲述了神盾局指挥官尼克·弗瑞为了对付《雷神》中被流放的洛基，积极奔走寻找最强者，在神盾局斡旋下将钢铁侠、美国队长、雷神托尔、绿巨人、黑寡妇和鹰眼侠六位超级英雄集结在一起，组成了复仇者联盟，共同携手应对邪神洛基。

雷神的地球好友希尔维格教授，被神盾局召唤来研究多年前回收的神器宇宙魔方，但是魔方突然间失控爆发了强大的力量马上就要毁灭基地。

在人员撤离时，本应死去的仙宫诡计之神洛基带着权杖突然出现，控制了希尔维格教授以及神盾局的超级特工“鹰眼”克林特，抢走了宇宙魔方。

弗瑞局长大难不死，想要开启自己筹备已久的“复仇者”计划，来应对即将出现的灾难。

他召回了正在执行任务的特工黑寡妇，派她去收编躲在贫民窟里锻炼心性的绿巨人班纳博士，科尔森特工去找了老朋友钢铁侠托尼斯塔克，局长自己则去找了刚从沉睡中醒来的第一个超级英雄，美国队长。

这几个本有着不同生活的超级英雄因为神盾局的计划聚在了一起，在超级航空母舰上第一次互相见到了真容。面对即将到来的大灾难，把这几个国家首脑都忌惮的危险人物组成一个小队来迎击，就是之前一直被提起的“复仇者联盟”。

两个科学天才班纳博士和斯塔克一起做出可以监测到宇宙魔方释放的伽马射线的机器，而一直不苟言笑的科尔森特工竟然还是美国队长的头号粉丝，几个人开始看起来还挺融洽。

很快神盾局在全世界卫星的监视图像中找到了现身的洛基，就在德国境内的一场展会上，洛基突然出现并且夺走了在场的赛弗博士的眼球，让另一边行动的鹰眼拿到了珍贵的铱金属，作为制造空间穿越机器的材料。

实际上洛基在回归之前被某位大人物救下并且赠予了权杖，随后和恐怖的齐塔瑞军队签订了盟约，想要借用他们的力量来征服地球。

自满的洛基走出大厅，命令在场的人们全部跪下。他自认为是尊贵的神明，地球上愚昧的人类注定是要被统治的。

然而美国队长及时出现教训了一下洛基，随后钢铁侠也出现，洛基竟然直接投降就被抓起来了，不过他的身上并没有带着宇宙魔方。

在押送洛基的途中，雷神托尔也杀了出来想要带弟弟回到仙宫审判，并且拿回本来就属于仙宫的宇宙魔方。钢铁侠心想宇宙魔方是我们拼死拼活抢到的东西，怎么能让洛基说出魔方下落前就被带走，于是追了上去。

大战一场后，美国队长强势介入停下了两人的争斗，而神奇的是洛基竟然乖乖看戏压根就没想逃跑，于是四人一起回到了神盾局的航母上。

危险的洛基被关进了本来为绿巨人设计的牢笼之中，权杖也被没收。可是看起来似乎他却是最想来到这里的人，这让超级英雄们非常困惑，因为洛基如此强大怎么会这么轻易被抓，一定有不可告人的企图。

然而没过一会，秉性截然相反的美队和钢铁侠就开始不和，这些自命不凡的超级英雄还是很难融入对方。

黑寡妇用自己惯用的伎俩诱骗洛基说出了自己的目的，原来是这里最不稳定的因素——绿巨人浩克。可是当她回到控制室，却看到众人已经互相吵了起来。

原来几人都觉得事有蹊跷，于是各自开启了秘密调查，发现了惊人的事实：神盾局想要夺回宇宙魔方的目的，是要用这股超强力量来制造超级武器，因为雷神的出现让他们充分了解到宇宙的广阔，觉得必须要有足够的力量来面对外星文明。

班纳博士觉得自己被欺骗想要离开，黑寡妇认为这是不负责任的做法；

局长认为这是地球人理所应当的自我保护措施，而托尔则认为这是在向其他文明宣布地球准备好进入高级战争消息的愚蠢之举；

美队和钢铁侠更是开始了互相的人身攻击，钢铁侠喷美队只是依靠一瓶血清才拥有现在的一切，美队则喷钢铁侠是个不会为他人牺牲分毫的自私小人，脱下装甲就一无是处。

场面一度混乱，直到航母的一个引擎突然被炸到失灵，众人才发觉来了不速之客。

鹰眼带着反神盾局突击队直接侵入了航母，造成的爆炸让班纳失控变成了绿巨人浩克，开始在航母里四处乱打，差点杀了黑寡妇。随后雷神杀出和浩克大战也无法阻止他，最后是浩克自己追着战斗机跳出了航母，打爆飞机后从高空中直接摔了下去。

美队和钢铁侠则小小的合作了一把，去修好了停转的引擎，避免了航母的坠落。

可是洛基已经达成了目的，他成功引发了浩克的愤怒让复仇者们内斗，从牢笼里逃了出来，还顺便把哥哥雷神骗进了牢笼，从9千米高空直接扔了下去，幸亏雷神力量够强落地前就跑了出去，没有大碍。

神盾局此战损失了大量特工，尤其是局长的得力助手，科尔森特工也在面对洛基时壮烈牺牲，没有阻止洛基逃跑，可以说是完全大败。唯一的好消息就是鹰眼被黑寡妇制服并且让他恢复了心智，这位超级英雄回归了。

科尔森特工的死大大影响了钢铁侠和美队，他们开始思考这次败因，就是复仇者们不够团结和互相信任。尽管大家都有着不同的价值观和为人，但是有一点可以一致，那就是全力击退来犯的敌人保护地球，为此他们必须抛下成见，真正的组成一个联盟。

钢铁侠在和美队对话时突然想到洛基的下一个目标，如果他所做的一切是为了在地球称王，想要让全世界观赏到他的力量的话，最好的舞台无疑就是他钢铁侠的老家，纽约的斯塔克大厦！

这次得到教训的复仇者们决心真的来一次复仇，他们在没有得到指令的情况下直接前往纽约，这也正中了局长的下怀，他的激将法终于有用了。

实际上他自己相比较使用宇宙魔方造出超级武器，更倾向于打造出完整的复仇者联盟小队来保护地球，所以他这次睁一只眼闭一只眼，只等着在后方观察战斗现场。

果不其然，希尔维格教授已经在斯塔克大厦上摆出了空间穿梭机器，宇宙魔方的力量让机器高速运转，很快就可以打开时空之门，让齐塔瑞军队降临地球为洛基而战了。

率先回来换好新装甲的钢铁侠没能阻止洛基和教授，纽约的上空出现了一个巨大的虫洞，从里面开始飞出大量的齐塔瑞士兵，大肆破坏建筑和人群。

托尔和洛基单挑也没能打败他，只是让他丢下了权杖，然后洛基就驾着飞船开始指挥大军了。终于搞定了内心的班纳也来到了战场，变身成浩克加入战斗。

美国队长，钢铁侠，雷神，浩克，黑寡妇，鹰眼，初代六人的复仇者联盟终于集结，在纽约大战外星人大军和洛基。

虽然他们十分神勇杀死了大量敌人，但是只要虫洞还开着，对面的士兵就会无穷无尽的杀过来，直到毁灭地球。

在雷神试图关闭虫洞未能成功之后，黑寡妇找到了在楼顶昏迷的希尔维格教授，后者因为头部撞击也恢复了理智，然后告诉了黑寡妇，洛基的权杖也拥有宇宙魔方的力量，只要用权杖触碰空间机器的核心就可以关闭它。然而钢铁侠突然通话过来说先不要关掉虫洞，他有个东西要送过去。

原来国家领导们看到纽约已经塞满了外星人军队，复仇者们也没法消灭他们，就决定使用核武器连同平民和纽约把外星人直接全部炸平，反对这个做法的弗瑞局长也被停了权限，战斗机已经发射了核导弹，还有三分钟就要触地。

钢铁侠及时发现了导弹，就可以正好把它直接送到虫洞对面。伤痕累累的钢铁装甲几乎用完了能量，只剩下最后的力气全部用在了推进系统上，一旦能源用完要么是被关进虫洞，要么是坠落地面，总之这次是他赌命来保护人类了。

钢铁侠成功把导弹带进了虫洞，炸毁了齐塔瑞军队的主飞船。黑寡妇等了一会然后关闭了机器，眼看着虫洞就消失了，地球上的外星士兵们也立刻失去了能源全部倒下。

钢铁侠从虫洞上掉了下来，装甲已经彻底用完了能量，他本人也失去了意识。雷神率先发现了不对劲，不过浩克先他一步截下了掉落的钢铁侠，最后还是平安无事。

自大的洛基被浩克轻松砸晕击败，结尾被雷神带回了仙宫接受审判，宇宙魔方也被一起带了回去物归原主，而洛基的权杖则被神盾局带回研究，算是各取所需。

经过这次纽约大战，复仇者联盟面向全地球，充分的展示了他们的一切，尽管这个世界上的人类对他们褒贬不一。

有些人觉得这么多可怕的力量，之前一直潜伏在黑暗中，是很大的威胁；

有些人觉得他们也损坏了许多人类的财产，打完仗就消失的无影无踪，很不负责任；

但是大部分人，都深刻的了解到了地球上有这样一群超级英雄在保护着他们，他们的名字叫复仇者联盟。

弗瑞局长深感欣慰，他的计划终于有了成效，于是在大战过后顶着领导们的压力暂时停止了对英雄们的监控，给他们放个假。毕竟以后如果地球上再次出现危机，敌人一定会被复仇。