長官ニック・フューリー（サミュエル・L. ジャクソン）率いる国際平和維持組織シールドの基地で、世界を破壊する力を持つ四次元キューブの極秘研究が行われていた。だが突然、制御不能に陥ったキューブが別世界への扉を開いてしまう。そこから現れたのは、神々の国アスガルドを追放され、地球支配を目論むロキ（トム・ヒドルストン）。彼は、セルヴィグ博士（ステラン・スカルスガルド）やシールド最強のエージェント、クリント・バートン（ジェレミー・レナー）を操り、キューブを強奪して姿を消す。その野心を知ったフューリーは、最強ヒーローたちによる“アベンジャーズ”結成を決意し、女スパイのナターシャ・ロマノフ（スカーレット・ヨハンソン）やエージェントのフィル・コールソン（クラーク・グレッグ）とともに、ヒーローたちを招集する。70年の眠りから覚めたキャプテン・アメリカことスティーブ・ロジャース（クリス・エヴァンス）、インドのカルカッタに身を隠していたブルース・バナー（マーク・ラファロ）などが集結。キューブの力で異世界の軍隊を地球に呼び込もうとするロキはドイツへ向かうが、ロジャース、ロマノフ、トニー・スターク（ロバート・ダウニーJr.）らによって捕えられてしまう。ロキを特殊監房に収容しようとしたところ、姿を現したのは兄のソー（クリス・ヘムズワース）。一堂に会したアベンジャーズだったが、意思に関係なく集められた彼らは、チームを組むことを拒否する。そこへ、ロキ奪還を狙い、バートン率いる部隊が空飛ぶ母艦ヘリキャリアを急襲。爆発の衝撃で我を失ったバナーは、凶暴なハルクに変貌し、暴れ始める。混乱に乗じてロキは逃走。ソーとバナーも乱戦の果てに姿を消し、アベンジャーズは存続の危機に陥る。ロキの地球侵略計画によって、マンハッタン上空に次々と姿を現す地球外の軍勢。この危機を前に、アベンジャーズは世界を救うことができるのか……？