Vào tháng 10 năm 2014, Marvel tuyên bố rằng phần tiếp theo của Avengers: Đế chế Ultron sẽ là Avengers: Infinity War gồm 2 phần: phần 1 được lên kế hoạch phát hành vào ngày 4 tháng 5 năm 2018 và phần 2 được lên kế hoạch ​phát hành ​vào ngày 3 tháng 5 năm 2019.[61][62] Vào tháng 4 năm 2015, anh em Russo tiết lộ rằng họ sẽ nhận lời làm đạo diễn cho cả hai phần phim,[63] với dự định bắt đầu quay phim vào năm 2016.[64] Một tháng sau đó, Christopher Markus và Stephen McFeely ký hợp đồng sáng tác kịch bản cho cả hai phần phim.[65] Vào tháng 5 năm 2016, anh em Russo tiết lộ rằng họ sẽ đặt lại tựa đề cho cả hai phần phim, đồng thời phủ nhận những ý kiến cho rằng đây là một phim lớn được chia thành 2 phần.[66] Tháng 7 năm đó, Marvel xoá bỏ tựa đề của phần 2 và chỉ gọi phần 2 đơn giản là Untitled Avengers film.[67] Chủ tịch Kevin Feige và anh em Russo cho rằng việc đặt tựa đề cho phim bị tạm hoãn vì tựa đề sẽ làm lộ nội dung của phim cũng như làm lộ nội dung của Avengers: Infinity War.[68][69]

Avengers: Endgame được khởi quay vào tháng 8 năm 2017 tại hãng phim Pinewood Atlanta Studios ở Quận Fayette, Georgia và kết thúc vào tháng 1 năm 2018.[70][71][72] Cùng với phần trước là Avengers: Infinity War, đây là phim Hollywood đầu tiên được quay hoàn toàn bằng máy quay kỹ thuật số IMAX.[73] Những cảnh quay bổ sung được thực hiện ở 2 quận Dutchess và Ulster ở New York vào tháng 6 năm 2018.[74] Những cảnh phim cần quay lại được thực hiện vào tháng 9 và tháng 10 năm 2018.[75][76] Quá trình quay lại vài cảnh trong phim cũng được thực hiện vào tháng 1 năm 2019.[77] Evans và Hemsworth được trả 15 triệu USD sau khi tham gia phim.[78]

Tựa đề Avengers: Endgame chính thức được công bố và trailer đầu tiên của phim chính thức được đăng tải lên mạng vào ngày 7 tháng 12 năm 2018,[4] đồng thời ngày khởi chiếu của phim tại Hoa Kỳ được công bố là ngày 26 tháng 4 năm 2019.[5] Các hiệu ứng hình ảnh trong phim được tạo bởi Industrial Light & Magic, Weta Digital, DNEG, Framestore, Cinesite, Digital Domain, Rise, Lola VFX, Cantina Creative, Capital T, Technicolor VFX và Territory Studio.[79] Jeffrey Ford và Matthew Schmidt thực hiện vai trò dựng phim.[80]