120년 후의 개척 행성으로 떠나는 초호화 우주선 아발론 호. 여기엔 새로운 삶을 꿈꾸는 5,258명의 승객이 타고 있다. 그러나 알 수 없는 이유로 인해 짐 프레스턴(크리스 프랫)과 오로라 레인(제니퍼 로렌스)은 90년이나 일찍 동면 상태에서 깨어나게 된다. 서서히 서로를 의지하게 되는 두 사람은 우주선에 치명적인 결함이 있다는 사실을 발견하게 되고, 마침내 그들이 남들보다 먼저 깨어난 이유를 깨닫게 되는데…
에너지원 큐브를 이용한 적의 등장으로 인류가 위험에 처하자 국제평화유지기구인 쉴드의 국장 닉 퓨리는 어벤져스 작전을 위해 전 세계에 흩어져 있던 슈퍼히어로들을 찾아나선다. 아이언맨부터 토르, 헐크, 캡틴 아메리카는 물론, 쉴드의 요원인 블랙 위도우, 호크 아이까지, 최고의 슈퍼히어로들이 어벤져스의 멤버로 모이게 되지만, 각기 개성이 강한 이들의 만남은 예상치 못한 방향으로 흘러가는데...
