Асгардский бог Локи заключает сделку с повелителем инопланетной расы, известной как читаури (англ.)русск.[комм 3]: в обмен на Тессеракт (англ.)русск. — неиссякаемый источник космической энергии кубической формы — читаури предоставят Локи армию для захвата Земли. Ник Фьюри, директор агентства Щ.И.Т., прибывает на научную базу, где астрофизик Эрик Селвиг занимается исследованием Тессеракта. Селвиг и агент Мария Хилл сообщают Фьюри, что куб нестабилен и возможен выброс энергии. Объект активизируется, открывая портал, предоставляющий Локи путь на Землю. Он забирает Тессеракт и при помощи своего посоха получает контроль над Селвигом и несколькими агентами Щ.И.Т., среди которых Клинт Бартон, более известный как Соколиный глаз. С их помощью Локи уходит, а портал взрывается, уничтожая базу.
Фьюри решает возродить отменённую ранее программу «Инициатива Мстителей». Агент Щ.И.Т. Наташа Романофф, более известная как Чёрная вдова, отправляется в Индию, где находит специалиста по гамма-излучению доктора Брюса Баннера. Хотя тот понимает, что Щ.И.Т. хочет использовать его альтер-эго Халка в своих целях, он соглашается на предложение. Агент Фил Колсон навещает Железного человека Тони Старка и его помощницу и возлюбленную Пеппер Поттс, уговаривая Старка завершить исследования Селвига. Сам Фьюри посещает Стива Роджерса, который был первым американским супергероем — Капитаном Америкой — и со времён Второй мировой войны был заморожен на 70 лет. Герои прибывают на Геликарриер (англ.)русск. — летающий авианосец Щ.И.Т.
Локи засекают в Штутгарте. Пока Соколиный глаз похищает для него иридий, необходимый для стабилизации куба, Локи заставляет гражданское население присягнуть ему на верность, но Капитану Америке и Железному человеку удаётся взять его в плен. Во время транспортировки на них нападает Тор — сводный брат Локи и бог грома. Он пытается убедить брата вернуть Тессеракт и после недолгой стычки с Капитаном Америкой и Железным человеком понимает, что они преследуют те же цели, и присоединяется к команде. Локи доставляют на Геликарриер и помещают в предназначенную для удержания Халка камеру, пока куб не будет найден. Работая вместе с Баннером, Старк взламывает компьютеры Щ.И.Т. и обнаруживает разработки по использованию куба в производстве оружия на случай возможного вторжения. Роджерс находит вооружение, работающее на энергии куба, которое раньше использовала нацистская организация Г.И.Д.Р.А. (англ.)русск.. Старк и Роджерс обвиняют Фьюри во лжи, герои начинают ссориться, что чуть было не приводит к открытому конфликту. Чёрная вдова, пытаясь выторговать у Локи свободу Бартона, узнаёт, что он намеренно сдался команде, и его настоящий план — выпустить Халка. На авианосец нападают солдаты Локи и Соколиный глаз; они повреждают один из двигателей, который с трудом запускают Капитан Америка и Железный человек. Из-за аварии в Баннере просыпается Халк, которого пытается сдержать Тор, в результате чего Халк падает с корабля. Во время борьбы с Соколиным глазом Чёрной вдове удаётся ударом по голове снять с него контроль Локи.
Локи удаётся выбраться из камеры, заперев в ней Тора. Он смертельно ранит напавшего на него агента Колсона, сбрасывает Тора с авианосца и сбегает с Тессерактом. Но с помощью своего волшебного молота Мьёльнира Тор остается жив. Фьюри использует смерть Колсона, чтобы мотивировать героев работать в одной команде. Старк и Роджерс понимают, что Локи нужно не просто победить их, а доказать своё превосходство перед человечеством, и догадываются, что он использует дуговой ядерный реактор Старк-тауэр (англ.)русск. в Нью-Йорке, чтобы открыть портал читаури и начать завоевание Земли.
Мстители отправляются в Нью-Йорк, но не успевают помешать открытию портала и понимают, что не в состоянии сдержать силы агрессоров. Капитан Америка, взявший на себя обязанности полевого командира отряда, приказывает эвакуировать людей, в то время как прибывший Баннер превращается в Халка, помогает уничтожить корабли инопланетян, добирается до Локи и легко побеждает его. На крыше Старк-тауэр Чёрной вдове и освободившемуся от внушения Локи профессору Селвигу удаётся взять портал под контроль при помощи посоха Локи. Между тем Комитет управления — начальство Фьюри — собирается уничтожить Манхэттен ядерными ракетами, чтобы остановить вторжение. Железный человек решает перенаправить снаряд прямо в портал к читаури. Ему удаётся, и ракета уничтожает главный корабль врагов, но сам Старк тоже оказывается по ту сторону ворот, где его костюм отключается. Он без сознания падает на Землю, где его ловит Халк, а Чёрная вдова закрывает портал. Герои спасли мир и получили всеобщее признание. Тор забирает Локи и Тессеракт в Асгард, а Фьюри разрешает Мстителям разъехаться, считая, что когда человечеству будет угрожать новый враг, герои снова придут на помощь.
В первой из двух сцен после титров повелитель читаури в своём мире извиняется за провал вторжения перед некой высокой фигурой[комм 4]. Во второй сцене вся команда молча ест шаурму в том кафе, о котором ранее говорил Старк.