Après avoir disparu un an, Loki, le frère de Thor, s’allie avec l’Autre, le chef d’une race extra-terrestre connue sous le nom de Chitauris. L’Autre souhaite s’emparer du Tesseract (le Cube cosmique), qui est actuellement sur la Terre. Avec l’aide de l’armée des Chitauris, Loki pourra prendre le contrôle de cette planète en échange du Tesseract.

Sur Terre, Nick Fury arrive dans un centre de recherche du SHIELD lors d’une évacuation. L’équipe du docteur Erik Selvig travaille sur le Tesseract. Alors que les scientifiques cherchent à comprendre les soudaines variations énergétiques du Tesseract, celui-ci se met brutalement à rayonner et à la suite d’une décharge brutale ouvre un portail à travers l’espace. Apparaît alors Loki, qui, grâce à son sceptre, cause de gros dégâts tout en tuant plusieurs agents. Il envoûte Clint Barton (un agent du SHIELD) et le D^r. Selvig. Tous trois s’enfuient avec le Tesseract malgré les efforts de l’agent Maria Hill. C’est alors que le centre s’écroule dans un gigantesque cataclysme créé par le Tesseract, ne laissant finalement qu’un gigantesque cratère. Nick Fury parvient à s’échapper avec la majeure partie de son équipe, mais il n’a pu empêcher Loki, Selvig et Œil-de-faucon de s’enfuir avec le Tesseract.

Nick Fury prend la décision de réactiver le projet Initiative des Avengers afin de récupérer le Tesseract et mettre fin aux plans de Loki. Natasha Romanoff est envoyée en Inde pour recruter le docteur Bruce Banner, tandis que l’agent Phil Coulson rend visite à Tony Stark et que Fury s’entretient avec Steve Rogers. L’équipe est rassemblée à bord de l’Héliporteur, un porte-avions capable de voler, et travaille sur un moyen de localiser le Tesseract. Après avoir capturé Loki, qui cherchait à dominer la population incrédule et apeurée de Stuttgart en Allemagne pendant que ses hommes subtilisaient un morceau d’iridium, l’équipe est rejointe par Thor, renvoyé sur Terre un an après son bannissement pour ramener Loki à Asgard. Iron Man défie Thor pour l’empêcher de partir avec Loki avant d’avoir retrouvé le Tesseract et Captain America arrive à son tour. Thor s’en prend à Captain America, et après une nouvelle mesure du rapport de forces, ils décident d’arrêter ce combat inutile.

De retour dans l’Héliporteur, de profonds désaccords semblent diviser les membres de l’équipe et chacun essaye de justifier sa place à bord quand Loki, interrogé par Natasha, révèle par erreur une partie de son plan : il projette de réveiller Hulk en faisant brutalement attaquer le vaisseau par un commando mené par Clint Barton. Son plan fonctionne, car Loki parvient non seulement à s’évader, blessant mortellement au passage l’agent Coulson, mais surtout à endommager le vaisseau par l’intermédiaire d’un Hulk rendu fou furieux et qui s’est battu contre Thor.

Natasha réussit malgré tout à assommer et capturer Œil-de-faucon, et celui-ci revient à la raison. Nick Fury utilise la mort de Coulson pour souder l’équipe, qui réalise qu’elle n’a d’autre choix que de collaborer étroitement sous le nom des Avengers pour mettre un terme aux plans de Loki. Ayant finalement localisé l’endroit où le portail sera ouvert, à l’emplacement de la tour Stark à New York, les Avengers arrivent trop tard pour empêcher le portail d’être ouvert et les Chitauris d’envahir la ville.

S’ensuit alors un combat titanesque dans les rues de Manhattan, chacun parvenant à repousser les vagues de Chitauris, mais ceux-ci sont trop nombreux. Dans un mouvement de panique, les autorités du SHIELD décident d’atomiser l’île de Manhattan pour éradiquer les Chitauris. Le docteur Selvig, libéré du contrôle de Loki, révèle à la Veuve noire que le Sceptre de Loki peut être utilisé pour fermer le portail. Iron Man intercepte de justesse le missile et grâce à son armure, parvient à le guider jusqu’à travers le portail et l’accompagne dans l’espace. Le missile détruit le vaisseau-mère des Chitauris et ces derniers meurent. Avant qu’Iron Man ne manque de puissance et retombe sur Terre, Hulk l’attrape dans sa chute et le sauve pendant que la Veuve noire referme le portail grâce au sceptre. La Terre est sauvée. Thor quitte la Terre avec Loki grâce au Tesseract pour rejoindre Asgard. Les Avengers partent chacun de leur côté et Nick Fury, persuadé que chaque membre reviendra si jamais une nouvelle menace apparaissait, décide de ne pas les suivre à la trace comme il l’avait fait dans le passé.

Pendant ce temps dans l’espace, l’Autre explique à un interlocuteur que les humains se sont révélés plus difficiles à asservir que prévu. Selon lui, les défier, c’est s’exposer à la mort. On découvre alors le visage de celui qui fût l’instigateur de ce chaos orchestré depuis le début : Thanos.