Фильм начинается с того, что на Землю лезет какая-то космическая хрень. Есть такая штука — Тессеракт, синий кубик с бешеной энергией, который когда-то был у людей под контролем организации Щ.И.Т. (это типа секретные агенты, которые следят за всяким сверхъестественным). И вот этот Тессеракт вдруг активируется, и из него вылезает Локи — хитрый бог из Асгарда, брат Тора. Локи сразу начинает мутить воду: он гипнотизирует парочку людей, включая агента Клинта Бартона (он же Соколиный Глаз), забирает Тессеракт и смывается. Понятно, что он задумал что-то нехорошее.
Директор Щ.И.Т.а, Ник Фьюри, понимает, что дело пахнет жареным. Он решает собрать команду крутых ребят, чтобы остановить Локи. Это и есть план «Мстители». Сначала он зовёт Наташу Романофф, она же Чёрная Вдова — шпионка, которая умеет и драться, и языком работать. Она в это время где-то в России вытрясает информацию из плохих парней, но бросает всё и едет на базу. Потом Фьюри вытаскивает доктора Брюса Бэннера, он же Халк. Бэннер — гениальный учёный, но у него проблема: если разозлится, превращается в огромного зелёного монстра. Он прячется в Индии, лечит бедняков, но соглашается помочь, потому что Тессеракт излучает гамма-лучи, а он в этом спец.
Дальше на сцену выходит Стив Роджерс, он же Капитан Америка. Этот чувак — герой Второй мировой, которого заморозили в 40-х, а потом разморозили. Он немного в шоке от современного мира, но всё ещё готов махать щитом и спасать всех подряд. Ну и, конечно, Тор — громовержец из Асгарда. Он прилетает на Землю, потому что Локи — его брат, и Тор хочет его остановить, а заодно вернуть домой.
Все эти ребята собираются на летающем авианосце Щ.И.Т.а — огромной штуке под названием Геликарриер. Сначала они друг друга не очень-то любят. Тор, например, считает, что Локи — его забота, и не хочет, чтобы люди вмешивались. Тони Старк (Железный Человек) вообще всех подкалывает, особенно Стива, мол, «ты тут старый дед с щитом, а я в крутом костюме». А Бэннер пытается держаться подальше, чтобы не психануть и не разнести всё к чертям.
Тем временем Локи попадает в плен к Щ.И.Т.у (ну, типа случайно, хотя потом ясно, что это часть его плана). Пока он сидит в клетке, герои начинают спорить между собой. Выясняется, что Щ.И.Т. хотел использовать Тессеракт, чтобы делать оружие, и это всех бесит. Особенно Стива и Тони, которые вообще-то за справедливость. Локи в это время ухмыляется, потому что его приспешники (включая загипнотизированного Бартона) уже летят атаковать Геликарриер.
И вот начинается движуха! Бартон и его команда взрывают один из двигателей Геликарриера, всё рушится, герои разбегаются кто куда. Тор пытается вытащить Локи из клетки, но тот его обманывает и сбрасывает с корабля в капсуле. Бэннер от стресса превращается в Халка и начинает крушить всё вокруг. Наташа сражается с Бартоном, чтобы выбить из него этот гипноз, а Тони и Стив пытаются починить двигатель, чтобы корабль не рухнул. В итоге Наташа вырубает Бартона, он приходит в себя, Халк улетает куда-то в неизвестность, а Локи сбегает с Тессерактом. Фьюри в шоке, потому что агент Колсон, его правая рука, погибает от руки Локи. Это всех так подрывает, что они наконец-то решают объединиться.
Локи тем временем открывает портал в космос прямо над Нью-Йорком, используя Тессеракт и башню Старка (да, Тони сам того не зная помог). Из портала лезет армия Читаури — такие инопланетные уродцы на летающих штуках. Они начинают громить город, всё взрывается, люди в панике. Тут подтягиваются наши герои. Тони в своём костюме Железного Человека летает и стреляет, Стив раздаёт команды и машет щитом, Тор швыряет молнии, а Наташа с Бартоном (он уже в норме) стреляют и дерутся как профи. Потом прибегает Халк, и вот он реально всех спасает — лупит Читаури направо и налево, даже Локи получает от него по морде.
Пока команда сражается с армией, Фьюри узнаёт, что начальство Щ.И.Т.а хочет сбросить на Нью-Йорк ядерную бомбу, чтобы закрыть портал и остановить вторжение. Тони это слышит и решает действовать. Он хватает ракету, летит с ней в портал и отправляет её прямо в корабль Читаури. Бабах — и вся армия вырубается, потому что они как роботы, связаны с этим кораблём. Портал начинает закрываться, а Тони падает обратно на Землю без сил. Халк его ловит в последний момент, и все такие: «Фух, живой!»
В итоге Локи побеждён, его связывают, и Тор забирает его вместе с Тессерактом обратно в Асгард. Герои расходятся по своим делам: Тони чинит башню, Стив уезжает на мотоцикле искать себя, Бэннер и Тони становятся корешами, а Наташа с Бартоном возвращаются к работе в Щ.И.Т.е. Фьюри смотрит на всё это и думает, что Мстители ещё вернутся, если Земле снова будет угрожать что-то серьёзное. А в сцене после титров показывают Таноса — это такой фиолетовый громила, который явно что-то задумал, но это уже другая история.
