Ở quốc gia Đông Âu Sokovia, Biệt đội Avengers bất ngờ tấn công một căn cứ của HYDRA đứng đầu bởi Baron Strucker - kẻ đang tiến hành thí nghiệm trên cơ thể con người bằng cây quyền trượng của Loki. Họ đã chạm trán hai trong số những thí nghiệm của Strucker - cặp anh em sinh đôi nhà Maximoff, Pietro có siêu tốc độ còn Wanda có khả năng điều khiển tâm trí và phóng ra năng lượng bằng tay. Biệt đội Avengers đã bắt được Strucker và Tony Stark lấy lại cây quyền trượng của Loki, sau khi Wanda cho Stark thấy một cảnh tượng đáng sợ - một đội quân Chitauri còn đông hơn trong phần một xâm lược Trái Đất, và cả đội Avengers bị hạ gục trừ anh.

Stark và Bruce Banner đã khám phá ra trí tuệ nhân tạo bên trong viên đá của cây quyền trượng và bí mật sử dụng nó để hoàn thiện dự án phòng thủ toàn cầu "Ultron" của Stark. Nhưng Ultron lại có khả năng tự nhận thức, tin rằng hắn phải tiêu diệt tận gốc loài người để bảo vệ Trái Đất, nên hắn đã loại bỏ chương trình J.A.R.V.I.S. của Stark và tấn công Biệt đội Avengers ngay tại tháp Avengers[lower-alpha 1]. Sau khi trốn thoát với cây quyền trượng, Ultron đã sử dụng những cơ sở trong căn cứ của Strucker để tạo ra một cơ thể thực sự cho hắn. Giết Strucker xong, Ultron đã kết nạp anh em nhà Maximoff - những người muốn Stark phải chịu trách nhiệm cho cái chết của bố mẹ họ vì vũ khí của công ty anh - về phe mình. Họ cùng nhau đến gặp kẻ buôn vũ khí Ulysses Klaue tại một xưởng đóng tàu ở châu Phi để mua Vibranium của vương quốc Wakanda. Các siêu anh hùng liền đuổi theo nhưng Wanda đã khống chế được họ (trừ Stark và Clint Barton) bằng ảo giác, làm Hulk nổi điên lên đập phá thành phố buộc Stark phải sử dụng bộ giáp khổng lồ Hulkbuster (Mark 44) để kìm hãm anh.

Phản ứng dữ dội của dư luận thế giới và hậu quả từ nỗi sợ ảo giác của Wanda đã buộc các siêu anh hùng phải ẩn náu tại nhà riêng của Barton. Thor đã đi gặp Tiến sĩ Erik Selvig để xem kỹ tương lai tận thế trong ảo giác của anh, trong khi đó Natasha Romanoff và Banner lên kế hoạch cùng nhau bỏ đi thật xa sau khi nhận ra sự hấp dẫn của nhau. Mặc dù vậy, Nick Fury đã đến để khuyến khích toàn đội lên kế hoạch ngăn chặn Ultron. Ở Seoul, Ultron đã khống chế Tiến sĩ Helen Cho để sử dụng công nghệ sợi tổng hợp của cô cùng với Vibranium và viên đá của cây quyền trượng để hoàn thiện cơ thể mới cho hắn. Khi Ultron đang tải hắn vào cơ thể mới, Wanda đã đọc được tâm trí của hắn và biết được âm mưu tiêu diệt loài người của hắn khiến anh em nhà Maximoff quay qua chống lại hắn. Steve Rogers, Romanoff và Barton truy tìm Ultron để giành lại cơ thể tổng hợp, nhiệm vụ hoàn thành nhưng Ultron đã bắt được Romanoff. Kế hoạch ban đầu thất bại khiến Ultron đành tự tạo cơ thể khác bằng Vibranium, nhưng vẫn tạo ra đội quân bản sao tay sai như dự định.

Stark và Banner tải J.A.R.V.I.S. - vẫn còn hoạt động sau khi trốn thoát khỏi Ultron vào Internet - vào cơ thể tổng hợp. Nhưng Rogers và anh em nhà Maximoff tìm cách ngăn cản việc này vì nghe theo lời Wanda, cho rằng Stark sẽ lặp lại sai lầm cũ. Giữa cuộc hỗn chiến, Thor trở lại để giúp mọi người kích hoạt cơ thể tổng hợp, tạo ra Vision, giải thích rằng viên đá trên trán nó là Viên đá Tâm Trí - một trong sáu Viên đá Vô Cực - những vật thể mạnh nhất hiện tại có sức phá hủy vũ trụ - và là một phần trong ảo giác của anh. Vision và anh em nhà Maximoff cùng Biệt đội Avengers đến Sokovia, nơi Ultron tạo ra một cỗ máy để nâng thủ đô Novi Grad lên trời, rồi sẽ làm nó rơi xuống mặt đất để hủy diệt thế giới. Banner giải cứu Romanoff, người đã đánh thức Hulk để tham gia trận chiến. Biệt đội siêu anh hùng chiến đấu với đội quân robot của Ultron trong khi Fury cùng Maria Hill, James Rhodes và các đặc vụ của S.H.I.E.L.D. sơ tán người dân lên phi thuyền Helicarrier. Pietro đã hi sinh khi che chắn cho Barton khỏi làn đạn của Ultron, Wanda giận dữ đối đầu Ultron và moi tim hắn để trả thù cho anh trai, nhưng chính việc tự ý bỏ vị trí của cô đã cho phép Ultron điều khiển một tên tay sai kích hoạt cỗ máy. Novi Grad bắt đầu rơi xuống nhưng Stark và Thor đã kịp tấn công ở cả hai đầu cỗ máy khiến vùng đất này nổ tung. Sau đó, Hulk sợ bản thân mình sẽ gây nguy hiểm cho Romanoff nên anh đã rời đi trên chiếc máy bay Quinjet và mất tích trên bầu trời, trong khi Vision đối mặt với cơ thể suy yếu của Ultron và kết liễu hắn.

Sau đó, Biệt đội Avengers đã thành lập một trụ sở mới được điều hành bởi Fury, Hill, Cho, và Selvig. Thor trở về Asgard để tìm danh tính của kẻ mà anh nghi ngờ đã thao túng các sự kiện gần đây. Stark và Barton cũng rời đi, Rogers và Romanoff chuẩn bị lãnh đạo một đội siêu anh hùng mới gồm Rhodes, Vision, Sam Wilson và Wanda. Bộ phim kết thúc trong khi Rogers đang nói dở câu: "Avengers, tập..."

Trong phần cảnh hậu danh đề, Thanos không hài lòng với sự thất bại của những quân cờ của hắn, hắn đã đeo chiếc găng tay Vô cực rỗng và quyết định sẽ tự giành lấy những viên đá vô cực.