Loki gặp gỡ The Other - thủ lĩnh của một chủng tộc ngoài Trái Đất – Chitauri và là thủ hạ của một kẻ bí ẩn, nhận một cây trượng gắn đá Tâm trí để lấy khối Tesseract – một nguồn năng lượng với khả năng tiềm tàng rất lớn. Chúng đã hứa với Loki bằng việc cho phép hắn sử dụng đội quân của mình để xâm chiếm Trái Đất. Nick Fury – Giám đốc của S.H.I.E.L.D và trung tá Maria Hill đi đến trung tâm nghiên cứu chức năng, nơi việc sơ tán đang diễn ra, Tiến sĩ Erik Selvig là người dẫn đầu nhóm nghiên cứu tại đây. Đặc vụ Phil Coulson giải thích rằng khối Tesseract đang tăng cường hoạt động. Nó đột ngột khởi động và mở ra cánh cổng, cho phép Loki đi đến Trái Đất (thực chất là do Loki đã điểu khiển khối Tesseract từ xa bằng cây trượng). Loki lấy đi khối Tesseract, tẩy não tiến sĩ Selvig cùng một vài đặc vụ thành nô lệ của mình, trong đó có cả đặc vụ Clint Barton.

Đáp trả lại cuộc tấn công, Fury phục hồi lại chiến lược khởi động nhóm Avengers. Đặc vụ Natasha Romanoff được đưa đến Ấn Độ để thuyết phục tiến sĩ Bruce Banner, còn đặc vụ Coulson đến gặp Tony Stark để nhờ anh phục hồi lại những nghiên cứu của tiến sĩ Selvig. Fury đến gặp Steve Rogers để nói về nhiệm vụ lấy lại khối Tesseract. Trong khi Barton lấy đi chất Iridi cần thiết để ổn định năng lượng của khối Tesseract, Loki đã gây rối với người dân tại Đức, điều này dẫn đến việc chạm trán với Rogers, Stark và Romanoff, kết thúc với việc Loki đầu hàng dường như khá chóng vánh. Trong lúc Loki được đưa tới S.H.I.E.L.D, Thor – anh trai nuôi của Loki đã đến (nhờ Odin dùng năng lượng tối thay cho cầu Bifrost bị phá hủy) và giải thoát hắn với hy vọng thuyết phục Loki từ bỏ ý định của mình và trở về Asgard. Sau cuộc chạm trán với Stark và Rogers, Thor đồng ý đưa Loki về Helicarrier của S.H.I.E.L.D. cho đến khi khối Tesseract được tìm thấy. Tại đó Loki bị giam, còn Banner và Stark cố tìm Tesseract. Nhóm siêu anh hùng trở nên chia rẽ sau lời nói của Loki và việc phát hiện ra tổ chức S.H.I.E.L.D lên kế hoạch khai thác khối Tesseract để sản xuất vũ khí - giống với HYDRA ngày trước. Ngay khi Banner nhìn thấy và sắp nói ra vị trí của khối Tesseract, Barton và nhóm tay sai của Loki đã tấn công Helicarrier, vô hiệu hóa hai động cơ khiến nó rơi và dẫn đến việc Banner tức giận và biến thành Người Khổng Lồ. Stark và Rogers cố gắng khởi động lại được một động cơ để trực hạm bay được trở lại. Thor cố kiềm chế cơn giận của Hulk nhưng bị đánh bại do không dám tung hết sức trên trực hạm. Romanoff đối đầu với Barton và hạ anh ta bất tỉnh, giúp anh ta thoát khỏi sự khống chế của Loki. Loki trốn thoát sau khi giết đặc vụ Coulson và lừa Thor ra ngoài chiếc trực hạm. Hulk rơi xuống mặt đất và trở lại thành Banner sau cuộc tấn công của một máy bay S.H.I.E.L.D.

Fury dùng cái chết của Coulson để khích lệ tinh thần nhóm siêu anh hùng và mong họ sẽ trở lại làm việc như một đội thống nhất. Stark và Rogers nhận ra rằng Loki muốn đánh bại các siêu anh hùng công khai để khẳng định vị thế thống trị của hắn trên Trái Đất. Hắn dùng khối Tesseract kết hợp thiết bị tiến sĩ Selvig chế tạo để mở cổng từ phía trên tòa tháp Stark, cho quân Chitauri tràn vào. Nhóm siêu anh hùng tập hợp để bảo vệ thành phố New York (vị trí của tòa tháp), nhưng họ nhanh chóng nhận ra mình sẽ bị áp đảo bởi số lượng gần như vô tận của quân đội Chirauti. Với sự chỉ huy của Rogers, nhóm đã chống cự lại được phần nào. Banner đã trở lại hình dáng Hulk và cuối cùng khuất phục được Loki. Romanoff đi đến cánh cổng, nơi Tiến sĩ Selvig đã thoát khỏi được sự khống chế của Loki, ông nói rằng cây quyền trượng có thể đóng cánh cổng lại. Trong lúc đó, cấp trên của Fury - Hội đồng An ninh Thế giới, định ngăn chặn sự xâm lược bằng việc phóng đạn hạt nhân vào Manhattan. Stark đã lái tên lửa hạt nhân vào cánh cổng, tới chỗ tàu mẹ của bọn Chitauri. Chiếc tàu mẹ bị phá hủy khiến tất cả Chitauri chết, chặn được nguy cơ xâm lược Trái Đất. Bộ áo giáp của Stark tới lúc này cạn năng lượng và anh đã rơi tự do qua cánh cổng, Hulk nhanh chóng cứu được Stark từ trên cao. Romanoff đóng cánh cổng lại để bảo vệ Trái Đất. Sau cùng, Thor đưa Loki và khối Tesseract về Asgard. Fury nói rằng nhóm siêu anh hùng sẽ trở lại nếu cả thế giới lại cần tới họ.

Ở đoạn mid-credit, tướng lĩnh của Chitauri báo với chủ nhân của hắn, Thanos, về thất bại của Loki và lo ngại rằng chống lại con người là chết. Thanos nghe xong, liền quay ra và cười. Trong after-credit, nhóm Avengers lặng lẽ ăn Shawarma tại một quán còn ngổn ngang theo lời mời của Stark.