鋼鉄の男アイアンマン、超人パワーのキャプテン・アメリカ、荒ぶる闘神ソー、制御不能の怒れる巨人ハルクなど、大ヒット映画の主役たちがドリームチームを結成！　人類の未来を賭けて邪神の軍団と空前絶後の戦いをくり広げるスーパーヒーロー・アクション。全世界で「アバター」「タイタニック」に次ぐ歴代３位の興収を記録。全米興収では「タイタニック」を抜き去りついに歴代２位に。
「アイアンマン２」のロバート・ダウニー・ジュニア、スカーレット・ヨハンスン、「キャプテン・アメリカ」のクリス・エヴァンズ、「マイティ・ソー」のクリス・ヘムズワース、ジェレミー・レナー、トム・ヒドルストンらが、それぞれの作品と同じ役柄で登場。さらにバナー役でマーク・ルファロー、長官役でサミュエル・Ｌ・ジャクスンが共演。監督をジョス・ウェドン、音楽をアラン・シルヴェストリー（「フォレスト・ガンプ」）が担当。
わずか15センチ立方ほどの大きさの中に、銀河一個分相当のエネルギーと異次元への扉を開くパワーを秘めた四次元キューブ。秘密諜報機関シールドが厳重に保管しているこの神秘のキューブが、突然エネルギー増幅を始めた。基地に駆けつけたシールド長官ニック・フューリー（ジャクスン）の目の前でキューブがすさまじい光を放ち、その光とともに一人の男が現われた。地球から遠く離れたアスガルドの邪神ロキ（ヒドルストン）。兄である闘神ソーに敗れ暗黒世界に逃亡していたが、ある者の力を借りて地球を支配すべく舞い戻ってきたのだ。不思議な力でフューリーの部下であるバートン（レナー）とセルヴィグ博士（ステラン・スカーシュゴード）の心を支配したロキは、必死に追撃してくる副司令官ヒル（コビー・スマルダーズ）をかわし、キューブを奪い去っていく。ロキの狙いは、キューブを使って異次元から恐怖の軍団チタウリを呼び寄せること。この事態にフューリーはついにあのメンバーたちを緊急招集する。
かつて魔性の暗殺者として暗躍し、今はシールズのスパイとして働くブラック・ウィドウことナターシャ・ロマノフ（スカーレット）に与えられた任務は、天才科学者ブルース・バナー（ルファロー）を連れてくること。怒れる怪物ハルクを別人格として持っているバナーは、人目を避けインドの僻地で暮らしていた。一方フューリーは、氷に閉ざされたまま七〇年の眠りから目覚め喪失感に苛まれているキャプテン・アメリカことスティーブ・ロジャース（エヴァンズ）のもとへ。そして敏腕エージェントのフィル（クラーク・グレッグ）は、アイアンマンことトニー・スターク（ダウニー・ジュニア）のもとへ向かう。大富豪で天才だが皮肉屋で人嫌いのスタークを説得したのは、彼が唯一頭の上がらない秘書ペッパー（グィネス・パルトロー）だった。