Asgarďan Loki se spojí s vůdcem mimozemské rasy zvané Chitauri. Ten výměnou za pomoc se získáním Tesseractu, mocného energetického zdroje, slíbí Lokimu armádu, se kterou si může podrobit Zemi. Nick Fury, ředitel tajné špionážní agentury S.H.I.E.L.D., dorazí společně se svou zástupkyní, agentkou Marií Hillovou, do výzkumného zařízení, kde právě probíhá evakuace. Doktor Erik Selvig zde vedl vědecký tým, který experimentoval s Tesseractem. Agent Phil Coulson vysvětlí příchozím, že předmět začal vyzařovat neobvyklou formu energie. Tesseract náhle vytvoří červí díru, která umožní Lokimu dostat se na Zemi. Asgarďan převezme Tesseract a svým žezlem si podmaní Selviga a několik agentů, včetně Clinta Bartona (Hawkeye). Tito poskoci mu nyní začnou pomáhat v dosažení jeho cíle.
Kvůli nečekanému útoku Lokiho reaktivuje ředitel Fury „program Avengers“. Agentka Nataša Romanovová (Black Widow) je vyslána do Kalkaty, aby získala doktora Bruce Bannera (Hulk), který by mohl vystopovat Tesseract díky jeho emisím záření gama. Agent Coulson zamíří za Tonym Starkem (Iron Man), jemuž předá shrnutí Selvigova výzkumu. Fury mezitím navštíví Stevea Rogerse (Kapitán Amerika), který také může pomoci získat ukradený artefakt.
Barton ukradne ve Stuttgartu iridium potřebné ke stabilizování Tesseractu. Loki mezitím odláká pozornost, což vyústí ve střet s Rogersem, Starkem a Romanovovou a jeho zajmutí. Zatímco je Asgarďan transportován do zařízení S.H.I.E.L.D.u, svého adoptivního bratra osvobodí Thor, který doufá, že ho donutí vzdát se útočného plánu a vrátit se na Asgard. Po konfrontaci se Starkem a Rogersem Thor souhlasí se zadržením Lokiho na létající letadlové lodi S.H.I.E.L.D.u, kde je útočník zavřen do speciální cely. Banner a Stark se mezitím snaží vystopovat Tesseract.
Avengers se rozdělí, protože mají rozdílné názory jak na přístup vůči Lokimu, tak na odhalení faktu, že agentura S.H.I.E.L.D. plánuje využít Tesseract k vývoji mocné zbraně, která by měla zastrašit nepřátelské mimozemšťany. Během hádky však Barton a další Lokim ovládnutí agenti zaútočí na Helicarrier, poškodí její motory a zapříčiní, že se Banner změní v Hulka. Stark a Rogers se následně společně snaží zprovoznit motory a Thor se pokouší zastavit Hulkovo řádění. Romanovová bojuje s Bartonem, který nakonec upadne do bezvědomí, což zruší Lokiho ovládání mysli. Asgarďan mezitím uprchne; při útěku zabije agenta Coulsona a svého bratra Thora vyhodí z letící lodi. Hulk po boji se stíhačkou S.H.I.E.L.D.u také dopadne na zem. Fury využije Coulsonovy smrti k motivování Avengers, aby začali pracovat jako tým. Stark a Rogers přijdou na to, že pro Lokiho by nebyla jejich pouhá porážka dostačující. Potřebuje je přemoci veřejně, aby se pak sám prohlásil za vládce Země. Loki použije Tesseract a zařízení, které postavil Selvig, k otevření červí díry nad Stark Towerem, jež umožní přílet chitaurské flotily.
Avengers se kvůli obraně New Yorku, kde byla ona červí díra otevřena, znovu shromáždí. Brzo si však uvědomí, že zanedlouho budou poraženi, neboť na Zemi přilétá stále více Chitaurů. Dorazí i Banner, jenž se opět změní v Hulka, který ale nyní po boku Rogerse, Starka, Bartona a Romanovové bojuje s mimozemšťany a zároveň se snaží evakuovat civilisty. Hulk najde Lokiho a bije ho tak dlouho, dokud se nepodvolí. Romanovová si vytvoří cestu ke generátoru, u kterého Selvig, který je už mimo Lokiho kontrolu, odhalí, že k vypnutí zařízení může být použito Lokiho žezlo. Mezitím se Furyho nadřízení snaží ukončit invazi vypuštěním jaderné střely na Manhattan. Stark dokáže raketu odklonit a proletí s ní červí dírou do chitaurského vesmíru. Tam střela při explozi zničí chitaurskou mateřskou loď, což zneškodní jejich armádu na Zemi. Stark se i přes nedostatek energie ve svém obleku Iron Mana stihne dostat uzavírající se červí dírou zpět do New Yorku. Před dopadem na zem ho zachytí Hulk.
Po skončení bitvy se Thor společně s Lokim a Tesseractem vrátí do Asgardu. Fury prohlásí, že pokud budou někdy opět potřeba Avengers, kteří nyní tiše sedí v restauraci a pojídají šauarmu, tak se znovu objeví. Vůdce Chitaurů mezitím probírá se svým pánem neúspěšný útok a sílu Pozemšťanů.
Robert Downey Jr. (český dabing: Radovan Vaculík) jako Tony Stark / Iron Man, miliardář, vynálezce, playboy a filantrop s elektromechanickým oblekem (předchozí filmy: Iron Man a Iron Man 2)
Chris Evans (český dabing: Libor Bouček) jako Steve Rogers / Kapitán Amerika (v originále Captain America), veterán z druhé světové války, kdy byla jeho fyziologie vylepšena díky experimentálnímu séru. Desítky let zůstal uvězněný v ledu. (předchozí film: Captain America: První Avenger)
Mark Ruffalo (český dabing: Pavel Šrom) jako Bruce Banner / Hulk, vědec, který byl v minulosti vystaven záření gama. To způsobuje jeho proměnu v obrovského Hulka. (předchozí film: Neuvěřitelný Hulk)
Chris Hemsworth (český dabing: Jan Maxián) jako Thor, korunní princ mimozemské říše Asgarďanů (předchozí film: Thor)
Scarlett Johansson (český dabing: Jitka Moučková) jako Nataša Romanovová / Black Widow (v originále Natasha Romanoff), agentka–špiónka pracující pro agenturu S.H.I.E.L.D.
Jeremy Renner (český dabing: Pavel Tesař) jako Clint Barton / Hawkeye, agent–lučištník pracující pro agenturu S.H.I.E.L.D.
Tom Hiddleston (český dabing: Lumír Olšovský) jako Loki, Thorův adoptivní bratr
Clark Gregg (český dabing: Zdeněk Mahdal) jako Phil Coulson, agent pracující pro agenturu S.H.I.E.L.D.
Cobie Smulders (český dabing: Tereza Chudobová) jako Maria Hillová, agentka pracující pro agenturu S.H.I.E.L.D.
Jenny Agutter (český dabing: ?) jako členka Světové bezpečnostní rady
Jerzy Skolimowski (český dabing: ?) jako Georgij Lučkov (v originále Georgi Luchkov), bývalý agent KGB a vyšetřovatel Romanovové
Stellan Skarsgård (český dabing: Jiří Hromada) jako Erik Selvig, astrofyzik a Thorův přítel
Samuel L. Jackson (český dabing: Pavel Rímský) jako Nick Fury, ředitel agentury S.H.I.E.L.D.
Gwyneth Paltrow (Pepper Pottsová), Maximiliano Hernández (Jasper Sitwell) a Paul Bettany (hlas J.A.R.V.I.S.e) si zopakovali své role z předchozích celovečerních filmů. Ve snímku se představili také častí Whedonovi spolupracovníci Alexis Denisof (The Other, vůdce Chitaurů) a Enver Gjokaj (policista). Postavu Thanose (ve filmu nejmenovaného) ztvárnil ve scéně po závěrečných titulcích Damion Poitier. Powers Boothe si zahrál jednoho z členů Světové bezpečnostní rady. V cameo rolích se ve filmu objevil Harry Dean Stanton (hlídač) a také jeden z tvůrců komiksů vydavatelství Marvel Stan Lee (ve zpravodajsk&/>eacute; televizní relaci).
Čísla pro spočítání finálních souřadnic získáte v keších ze série. První nalezené číslo při procházení keší od 1 do 14 je A a druhé nalezené číslo je B.
Finální souřadnice:
N 50° 05.(B)(A+B)(A+A+B) E 013° 58.(A+B+B)(B*0)(A)