Thor (Chris Hemsworth) estava prestes a receber o comando de Asgard das mãos de seu pai Odin (Anthony Hopkins) quando forças inimigas quebraram um acordo de paz. Disposto a se vingar do ocorrido, o jovem guerreiro desobedece as ordens do rei e quase dá início a uma nova guerra entre os reinos. Enfurecido com a atitude do filho e herdeiro, Odin retira seus poderes e o expulsa para a Terra. Lá, Thor acaba conhecendo a cientista Jane Foster (Natalie Portman) e precisa recuperar seu martelo, enquanto seu irmão Loki (Tom Hiddleston) elabora um plano para assumir o poder. Mas os guerreiros do Deus do Trovão fazem a mesma viagem para buscar o amigo e impedir que isso aconteça. Só que eles não vieram sozinhos e o inimigo está presente para uma batalha que está apenas começando.

Após confessar ao mundo ser o Homem de Ferro, Tony Stark (Robert Downey Jr.) passa a ser alvo do governo dos Estados Unidos, que deseja que ele entregue seu poderoso traje. Com a negativa, o governo passa a desenvolver um novo traje com o maior rival de Stark, Justin Hammer (Sam Rockwell). Jim Rhodes (Don Cheadle), o braço direito de Tony, é colocado no centro deste conflito, o que faz com que assuma a identidade de Máquina de Combate. Paralelamente, Ivan Vanko (Mickey Rourke) cria o alter-ego de Whiplash para se vingar dos atos da família Stark no passado. Para combater Whiplash e a perseguição do governo, Stark conta com o apoio de sua nova assistente, Natasha Romanoff (Scarlett Johansson), e de Nick Fury (Samuel L. Jackson), o diretor da S.H.I.E.L.D.

Vivendo escondido e longe de Betty Ross (Liv Tyler), a mulher que ama, o cientista Bruce Banner (Edward Norton) busca um meio de retirar a radiação gama que está em seu sangue. Ao mesmo tempo ele precisa fugir da perseguição do general Ross (William Hurt), seu grande inimigo, e da máquina militar que tenta capturá-lo, na intenção de explorar o poder que faz com que Banner se transforme no Hulk.

Tony Stark (Robert Downey Jr.) é um industrial bilionário, que também é um brilhante inventor. Ao ser sequestrado ele é obrigado por terroristas a construir uma arma devastadora mas, ao invés disto, constrói uma armadura de alta tecnologia que permite que fuja de seu cativeiro. A partir de então ele passa a usá-la para combater o crime, sob o alter-ego do Homem de Ferro.

2ª Guerra Mundial. Steve Rogers (Chris Evans) é um jovem que aceitou ser voluntário em uma série de experiências que visam criar o supersoldado americano. Os militares conseguem transformá-lo em uma arma humana, mas logo percebem que o supersoldado é valioso demais para pôr em risco na luta contra os nazistas. Desta forma, Rogers é usado como uma celebridade do exército, marcando presença em paradas realizadas pela Europa no intuito de levantar a estima dos combatentes. Para tanto passa a usar uma vestimenta com as cores da bandeira dos Estados Unidos, azul, branca e vermelha. Só que um plano nazista faz com que Rogers entre em ação e assuma a alcunha de Capitão América, usando seus dons para combatê-los em plenas trincheiras da guerra.