Argument
Nick Fury (Samuel L. Jackson), director de l'agència d'espionatge SHIELD, arriba a un centre de recerca remot durant una evacuació. El Tesseracto (Cub Còsmic), una font d'energia el potencial es desconeix, s'activa de manera inexplicable obrint un portal interdimensional. De la mateixa surt el déu nòrdic exiliat Loki (Tom Hiddleston). Loki assassina a diversos membres de SHIELD, roba el Tesseracto, i usa les seves habilitats per controlar les ments del personal, entre els quals l'agent Clint Barton (Jeremy Renner) i el físic Dr Eric Selvig (Stellan Skarsgard), per després emprendre la fugida . Malgrat els intents de l'agent Maria Hill (Cobie Smulders), Loki aconsegueix escapar.
En resposta a l'atac, Fury reactiva la Iniciativa Venjadors. La Agent Natasha Romanoff (Scarlett Johansson) viatja a l'Índia per reclutar al Dr Bruce Bàner (Mark Ruffalo), mentre que l'agent Phil Coulson (Clark Gregg) visita a Tony Stark (Robert Downey Jr) i li demana que revisi la investigació del Dr Selvig sobre el Tesseracto. Fury per la seva part demana al Capità Amèrica, Steve Rogers (Chris Evans) la seva participació.
Durant el seu exili, Loki es va aliar a una hostil raça alienígena coneguda com Chitauri i els va demanar que l'ajudaran a envair la Terra a canvi del Tesseracto. Els Chitauri accepten en valorar com senzilla la missió.
Amagats en un laboratori secret, el Dr Selvig li informa a Loki que necessitarà iridi, un material molt escàs, i que sense ell no podrà ajudar. A Alemanya, en el que sembla ser una festa de gala, Loki arriba i irromp el lloc buscant iridi, mentrestant el Capità Amèrica i la Agent Romanoff viatgen al lloc per capturar-lo. Tot seguit al robatori, Loki comença a generar el caos, el que obliga els assistents evacuar el lloc i un cop als carrers, Loki demanda als humans agenollar davant seu, però, és interromput pel Capità Amèrica que li fa front. Després d'un intercanvi de paraules i cops, apareix del cel Iron Man qui després de la seva ostentosa arribada dispara contra Loki per així finalitzar el combat. Un cop rendit Loki, aquest és escortat cap al avió. No obstant això, en ple vol Thor (Chris Hemsworth), germà de Loki i déu nòrdic del tro, arriba per emportar-se al seu germà. A la nau, en adonar dels fets, Iron Man decideix anar darrere seu. Mentre aquest parlava amb Loki per convèncer-lo que el que feia era incorrecte, Iron Man envesteix Thor. Tots dos inicien una confrontació al bosc però el Capità Amèrica fa la seva aparició per detenir-los. Loki finalment és portat al Helitransporte de SHIILD, un portaavions aeri, i posat en una cel · la especialment dissenyada per contenir a Hulk.
Els Venjadors discuteixen sobre com tractar amb Loki. Tony Stark i el Dr Banner comencen a tenir sospites sobre l'hermetisme de Fury sobre el perquè SHIELD posseïa un objecte tan poderós com el Tesseracto. Steve Rogers difereix de tots dos, però després d'escoltar els arguments de tots dos científics, Rogers decideix buscar respostes, el que li permet descobrir que SHIELD està planejant utilitzar tal energia per desenvolupar armes. En ser qüestionat pels herois, Fury admet que els esdeveniments en Nou Mèxic de l'any anterior2 van fer que SHIELD conegués altres amenaçadors races extraterrestres, i que les noves armes serien una defensa davant qualsevol d'elles. Mentre el grup discuteix, l'agent Romannoff interroga Loki. Aquest li recorda el seu passat tràgic i pertorbador, a més d'insinuar els sentiments de l'agent per Ull de Falcó, així mateix revela de manera inconscient seves intencions envers el grup; Provocar a Hulk. D'altra banda Ull de Falcó, controlat per Loki, ataca el Helitransporte desactivant seus motors. Iron Man i el Capità Amèrica es concentren en reiniciar els motors aturats. No obstant això els atacs causen una explosió dins de la sala on el Dr Banner estava, provocant que l'estrès transformi al doctor en Hulk, tot i els esforços de Romanoff per calmar-lo. Aquest comença a destrossar l'interior de la nau. Hulk es topa amb Thor mateix que decideix enfrontar-ho. Després d'un breu enfrontament Hulk surt del Helitransporte per atacar un avió i és quan aquest explota, enviant a Hulk al buit. Durant un enfrontament amb Ull de Falcó, Romanoff adverteix que un cop fort al cap desactiva el poder mental de Loki, de manera que el noqueja i immobilitza. Mentrestant, Thor es dirigeix cap a on Loki, just quan aquest estava a punt d'escapar. Thor intenta detenir però gràcies a una il · lusió òptica, Thor acaba atrapat a la cel · la, la qual és expulsada de la nau, encara que aconsegueix salvar-se de la caiguda. A la nau, l'agent Coulson intenta fer-li front a Loki amb una de les armes experimentals, però Loki mitjançant un altre miratge el sorprèn per l'esquena i ho apunyala. Coulson, amb les seves últimes forces, aconsegueix disparar l'arma ferint a Loki, però aquest aconsegueix escapar. Fury arriba tard al combat.
Després del fatídic episodi, Fury reuneix a l'equip restant i fa servir la mort de Coulson per motivar els herois per unir-se. Stark i Rogers saben que vèncer no és tot per Loki, ha de fer-ho públicament perquè la seva conquesta de la Terra sigui evident. Tony desxifra el pla de Loki. Thor, no estant present amb els altres, troba el seu martell i provoca una tempesta elèctrica, recuperant el seu vestit i poders. El Dr Banner, atordit, nu i sense recordar molt apareix en un celler, vist per un vigilant qui li va relatar com és que va arribar a aquest lloc. A l'edifici Stark, Iron Man arriba i s'enfronta a Loki per guanyar temps. Loki el llança per la finestra però durant la seva caiguda activa la seva armadura (Mark 7) a través del seu polsera i se salva.
A la part alta de la torre, el Dr Selvig activa una màquina que amb ajuda del Tesseracto aconsegueix obrir un portal interdimensional per on baixa l'exèrcit Chitauri, iniciant així la invasió. Els Venjadors es reuneixen per defensar Nova York. El Capità Amèrica, Thor i Ull de Falcó evacuen als civils, mentre Iron Man baralla contra els leviatans, unes serps voladores gegants cobertes de metall. El Dr Banner arriba després procurar-se un transport i s'uneix al combat convertint-se en Hulk a voluntat, deixant entreveure que ara el Dr Banner té un major control del seu alter ego, i d'un sol cop immobilitza i deté el leviatan. El Capità Amèrica reparteix ordres a cada un del grup en funció de les seves capacitats. Loki quan intenta intervenir és humiliat per la pallissa de Hulk. D'altra banda, la Agent Romanoff aconsegueix arribar al generador del portal, on el Dr Selvig, ara lliure de Loki, revela que el bàcul d'aquest pot tancar-lo.
Alhora, a bord del Helitransporte, els superiors de Fury decideixen acabar tot amb un míssil nuclear a Manhattan, al que Fury es nega infructuosament, per la qual cosa alerta al grup. Iron Man s'assabenta i decideix encarregar d'aquesta darrera missió, interceptant el míssil i portant-lo a través del portal, cap a la flota Chitauri. A causa d'això, l'armadura es descarrega i cau al buit, de tornada a la Terra. Romanoff tanca el portal a temps d'evitar l'ona explosiva. El cos de Tony travessa el portal caient sense control just per ser rescatat per Hulk.
Amb la Terra fora de perill, Thor escorta a Loki i el Tesseracto de tornada al món d'Asgard, i els altres Venjadors se separen. Quan Fury és qüestionat sobre retenir, assenyala que s'uniran novament si l'ocasió ho necessita.
Durant l'escena després dels crèdits, el líder Chitauri li reclama al seu ombrívol amo que «Els humans no són aquella raça infeliç i feble que ens van prometre» i conclou que atacar «Seria festejar la Mort mateixa». El seu amo es gira revelant la seva identitat, Thanos.
