Всё начинается после событий «Войны бесконечности». Танос щёлкнул пальцами в своей перчатке с Камнями Бесконечности и стёр половину всего живого во вселенной. Половина людей, животных, всех разумных существ — просто пшик, и нет их. Мстители, которые остались в живых, в шоке. Тони Старк (Железный человек) болтается в космосе на корабле с Небулой, у них почти кончилась еда и кислород, и он записывает прощальное сообщение Пеппер Поттс. На Земле тем временем тоже тоска: Кэп (Стив Роджерс), Наташа (Чёрная Вдова), Брюс Бэннер (Халк), Тор, Ракета (енот из Стражей Галактики) и Джим Роудс (Воитель) пытаются понять, что делать дальше. Мир в руинах, все в депрессии, а Таноса найти не могут.
И тут — бац! — появляется Кэрол Дэнверс, она же Капитан Марвел. Она спасает Тони и Небулу, вытаскивает их корабль обратно на Землю. Тони, конечно, слабый, но живой. Команда собирается и решает: надо найти Таноса и забрать Камни, чтобы всё исправить. Ракета и Небула знают, где он может быть, — на какой-то планете под названием Сад. Они летят туда всей толпой. Находят Таноса, но сюрприз: он уже уничтожил Камни Бесконечности, чтобы никто не мог отменить его «великий план». Тор в ярости отрубает ему голову, но это ничего не меняет — половины вселенной всё равно нет. Мстители возвращаются домой ни с чем, и тут начинается совсем грустная часть.
Проходит пять лет. Мир изменился. Люди как-то приспособились жить в новой реальности, но все ещё тоскуют по пропавшим. Тони женился на Пеппер, у них родилась дочка Морган — он вроде как отошёл от супергеройских дел и живёт себе тихо. Тор запил на Новом Асгарде, растолстел и играет в видеоигры с Коргом и Миком. Кэп ведёт группы поддержки для тех, кто потерял близких. Наташа сидит в штабе Мстителей и пытается держать всё под контролем, хотя сама на грани. Брюс Бэннер тем временем стал каким-то гибридом себя и Халка — теперь он умный, зелёный и в очках, называет себя Профессором Халком.
И тут появляется Скотт Лэнг, он же Человек-муравей. Оказывается, он всё это время был заперт в квантовом измерении, но там время течёт иначе, и для него прошло всего пять часов. Он вылезает и приходит к Мстителям с идеей: а что, если использовать квантовое измерение для путешествий во времени? Они могут вернуться в прошлое, собрать Камни Бесконечности до того, как Танос их забрал, и всё исправить. Сначала все думают, что он спятил, но Брюс говорит, что теоретически это возможно. Тони поначалу отказывается — не хочет рисковать своей семьёй, — но потом всё-таки решает помочь и придумывает, как сделать машину времени.
Команда собирается снова. Они делят Камни на группы и распределяют, кто куда отправится. План такой: Тони, Кэп, Скотт и Брюс летят в 2012 год, в Нью-Йорк, во время битвы из первых «Мстителей», чтобы забрать Камень Пространства (Тессеракт), Камень Разума (Скипетр Локи) и Камень Времени (Глаз Агамотто). Наташа и Клинт (Соколиный Глаз) отправляются на Вормир в 2014 году за Камнем Души. Роудс и Небула летят за Камнем Силы на Мораг, тоже в 2014-м. А Тор и Ракета возвращаются в Асгард 2013 года за Камнем Реальности (Эфиром).
В Нью-Йорке 2012 года всё идёт криво. Тони и Скотт пытаются украсть Тессеракт, но Локи его хватает и сбегает — Камень Пространства потерян. Тогда Тони и Кэп решают прыгнуть ещё дальше в прошлое, в 1970-е, на базу Щ.И.Т.а, где Тессеракт ещё хранится. Заодно Тони встречает своего отца Говарда, а Кэп видит Пегги Картер — такие трогательные моменты. Брюс тем временем в 2012-м уговаривает Древнюю (она же Верховная волшебница) отдать Камень Времени, обещая всё вернуть на место.
На Вормире Наташа и Клинт узнают, что за Камень Души надо заплатить жизнью близкого человека. Они спорят, кто из них пожертвует собой, но Наташа в итоге побеждает — она прыгает в пропасть, и Клинт получает Камень. Это тяжёлый момент, все потом долго скорбят по ней.
Тор в Асгарде 2013 года встречает свою мать Фриггу, пока Ракета вытягивает Эфир из Джейн Фостер. Тор чуть не срывается от эмоций, но всё-таки берёт себя в руки и забирает свой молот Мьёльнир из прошлого. Роудс и Небула успешно берут Камень Силы, но тут вмешивается Танос из 2014 года. Он узнаёт от Небулы будущего про их план, захватывает её и отправляет свою версию Небулы в будущее, чтобы всё сорвать.
Все возвращаются в своё время с Камнями (кроме Наташи, увы). Тони, Брюс и Ракета создают новую перчатку, и Брюс щёлкает пальцами, чтобы вернуть всех исчезнувших. Это работает — люди начинают появляться обратно, но тут же на базу нападает Танос из прошлого вместе со своей армией. Начинается огромная битва. Мстители, Стражи Галактики, вернувшиеся герои вроде Доктора Стрэнджа, Человека-паука и Чёрной Пантеры — все сражаются против Таноса.
Тони, Тор и Кэп сначала дерутся с Таносом втроём, но он их побеждает. Потом подтягиваются все остальные через порталы Стрэнджа — эпичная сцена, аж мурашки! Битва идёт за перчатку с Камнями. Танос почти побеждает, но Тони в последний момент выхватывает Камни, вставляет их в свой костюм и щёлкает пальцами. Это уничтожает Таноса и его армию, но Тони не выдерживает такой энергии — он умирает. Все прощаются с ним, Пеппер говорит, что он может наконец отдохнуть. Очень грустно, но красиво.
В конце Кэп возвращает Камни в их времена, чтобы не ломать реальность. Но он решает остаться в прошлом с Пегги — живёт с ней всю жизнь, а потом, уже стариком, возвращается в наше время и отдаёт щит Сэму Уилсону (Соколу), делая его новым Капитаном Америкой. Тор улетает с Ракетой и Стражами Галактики в космос, оставив Новый Асгард на Валькирию. Клинт возвращается к семье, а Брюс, похоже, продолжает свои научные дела.
