Sau khi lấy được Viên đá Sức mạnh, một trong sáu Viên đá Vô cực từ hành tinh Xandar, Thanos cùng đám tay sai - Ebony Maw, Cull Obsidian, Proxima Midnight và Corvus Glaive, tấn công tàu Statesman đang chở theo những cư dân Asgard cuối cùng còn sống sót. Thanos tra tấn Thor nhằm bắt Loki giao nộp Viên đá Không gian ẩn chứa trong khối Tesseract. Hulk cố ngắn cản nhưng cũng bị Thanos đánh bại chóng vánh. Trước khi bị Thanos phát hiện và giết, Heimdall đã kịp sử dụng sức mạnh của cầu Bifröst để đưa Hulk trở về Trái Đất. Loki vờ đầu hàng hòng giết Thanos, nhưng rồi chịu chung kết cục với Heimdall. Thanos sau đó phá hủy con tàu và để Thor trôi dạt ngoài vũ trụ.

Hulk rơi xuống Thánh đường Sanctum Sanctorum ở Thành phố New York và biến trở lại thành Bruce Banner. Anh cảnh báo Doctor Strange và Wong về kế hoạch tiêu diệt sự sống một nửa vũ trụ của Thanos, và họ gọi Tony Stark tới trợ giúp. Ngay sau đó, Ebony Maw và Cull Obsidian tấn công New York nhằm lấy cắp Viên đá Thời gian của Strange; Peter Parker cũng xuất hiện và tham gia cuộc chiến, nhưng Hulk thì không dù Banner cố năn nỉ. Do không lấy được Viên đá Thời gian, Maw bắt Strange lên tàu của hắn sau trận chiến. Stark và Parker lần theo dấu Strange lên tàu của Maw, trong lúc đó Banner cố liên lạc với Steve Rogers, còn Wong thì ở lại để bảo vệ Thánh đường. Tại Edinburgh, Vision và Wanda Maximoff bị Corvus Glaive và Proxima Midnight phục kích để lấy cắp Viên đá Tâm trí trên trán Vision. Vision bị đâm xuyên người khiến anh gần như mất khả năng chiến đấu, nhưng họ được cứu kịp thời bởi Steve Rogers, Natasha Romanoff và Sam Wilson. Họ quay lại căn cứ của đội Avengers và gặp lại James Rhodes và Banner. Romanoff cho biết hiện không thể liên lạc với Clint Barton và Scott Lang vì họ đã chịu án quản thúc tại gia. Rogers gợi ý mọi người đưa Vision đến vương quốc Wakanda để nhờ trợ giúp tháo Viên đá Tâm trí ra khỏi trán mà không làm tổn hại đến anh.

Nhóm Vệ binh dải Ngân Hà tìm thấy Thor khi họ bắt được tín hiệu khẩn cấp từ tàu Statesman. Thor đoán Thanos sẽ tìm đến Viên đá Hiện thực nằm trong tay Collector ở Knowhere. Vì vậy, Peter Quill, Gamora, Drax và Mantis đến Knowhere, còn Thor cùng với Rocket và Groot đến hành tinh bỏ hoang Nidavellir và cùng Eitri chế tạo chiếc rìu Stormbreaker, với cán rìu làm từ cánh tay của Groot. Tại Knowhere, Thanos dùng ảo ảnh tạo ra bởi Viên đá Hiện thực mà hắn lấy được từ trước để phục kích cả đội và bắt cóc Gamora về tàu của mình. Bị Thanos dọa giết Nebula - người đã bị bắt sau khi mưu sát hắn không thành, Gamora phải khai ra vị trí của Viên đá Linh Hồn là hành tinh Vormir. Tại đây linh hồn Red Skull - kẻ canh giữ Viên đá Linh hồn, tiết lộ rằng ai muốn có viên đá phải mất đi người mà mình thật lòng yêu thương. Thanos đành ném Gamora xuống vực sâu, qua đó lấy được Viên đá.

Nebula sau khi trốn thoát đã gửi một tín hiệu đến Mantis rằng cô sẽ gặp nhóm Vệ binh dải Ngân Hà ở Titan, hành tinh chết đã từng là quê hương của Thanos. Sau khi giết Maw, Stark, Parker và Strange đến Titan và gặp Quill, Drax và Mantis, và họ cùng nhau bàn kế hoạch tháo Găng tay Vô cực khỏi tay Thanos. Strange dùng Viên đá Thời gian để xem trước mười bốn triệu sáu trăm linh năm (14.000.605) tương lai khả thi của cuộc chiến với Thanos, qua đó thấy chỉ có một trong số đó là các anh hùng thắng. Sau khi lấy được Viên đá Linh hồn, Thanos trở về Titan, tiết lộ động cơ là để "cứu" vũ trụ khỏi bị diệt vong vì khủng hoảng dân số như Titan. Ngay sau đó, hắn bị các siêu anh hùng phục kích và khống chế. Stark và Parker gần tháo được Găng tay Vô cực ra khỏi tay Thanos, nhưng Quill sau khi biết Gamora đã bị giết liền tức giận đấm Thanos, vô tình giúp hắn thoát ra. Thanos đánh bại cả đội dễ dàng và đâm trọng thương Stark. Strange đầu hàng, giao nộp Viên đá Thời gian cho Thanos để cứu Stark. Thanos nhanh chóng tới Wakanda sau khi lấy được Viên đá. Cùng lúc đó ở Nidavellir, sau khi vũ khí mới được chế tạo xong, Thor, Rocket và Groot dùng sức mạnh của chiếc rìu Stormbreaker triệu hồi cầu Bifröst để đến Trái Đất, kịp thời giải nguy cho lực lượng bảo vệ ở đây.

Đội quân của Thanos tấn công Wakanda, và đội Avengers cùng người dân ở đây đứng lên chiến đấu để phòng thủ. Shuri tìm cách tách Viên đá Tâm trí khỏi trán Vision nhưng cô bị Corvus Glaive tấn công, khiến Vision lại bị đẩy vào chiến trường. Midnight, Obsidian và Glaive lần lượt bị giết, nhưng Thanos xuất hiện sau đó và lần lượt đánh bại hầu hết đội Avengers đang trong vô vọng. Wanda phá hủy Viên đá Tâm trí khiến Vision tan xác theo, nhưng Thanos đã sử dụng Viên đá Thời gian để đảo ngược hành động đó lại rồi tháo Viên đá Tâm trí nguyên vẹn, giết chết Vision lần thứ hai và thu thập đủ sáu Viên đá Vô cực. Sau đó, Thanos bị Thor tập kích bằng chiếc rìu Stormbreaker rồi bị ném rìu trúng ngực, nhưng hắn vẫn sống sót và giễu cợt anh vì không nhắm vao đầu. Thanos búng ngón tay, kích hoạt sức mạnh của cả sáu Viên đá rồi bỏ trốn, mặc dù sức mạnh của các viên đá cùng được kích hoạt khiến cả chiếc găng lẫn nửa trái cơ thể hắn bị tổn thương nặng.

Sự sống của một nửa số sinh vật trong vũ trụ lần lượt bị tiêu diệt, trong đó có Barnes, Barnes, T'Challa, Groot, Maximoff, Wilson, Mantis, Drax, Quill, Strange và Parker. Nebula và Stark là những người sống sót trên Titan, trong khi ở Wakanda chỉ còn lại Banner, M'Baku, Okoye, Rhodes, Rocket, Rogers, Romanoff và Thor. Thanos tới một hành tinh yên bình khác và ngồi ngắm bình minh. Ở đoạn post-credit, hàng loạt vụ tai nạn xe hơi và máy bay xảy ra do người lái biến thành tro bụi. Nick Fury và đặc vụ Maria Hill cũng trở thành nạn nhân, nhưng Fury trước khi tan biến đã kịp gửi đi một tín hiệu khẩn cấp cho Carol Danvers/Captain Marvel.