Il Tesseract è un antico artefatto in grado di produrre energia illimitata. Un misterioso alieno e il suo portavoce The Other intendono appropriarsene. Loki, che intende conquistare la Terra e sottomettere il genere umano, stringe un accordo con i due. Il colonnello Nick Fury, direttore dello S.H.I.E.L.D. (Strategic Homeland Intervention, Enforcement & Logistic Division), raggiunge un complesso dove sono situati alcuni laboratori sperimentali. Qui il dottor Erik Selvig sta effettuando dei test sul Tesseract, recuperato da Howard Stark negli anni cinquanta nell'Oceano Atlantico settentrionale. Improvvisamente il Tesseract, che già aveva manifestato delle anomalie, apre un varco dimensionale nella stanza ed appare Loki, che impugna uno strano scettro. Alla richiesta di Nick Fury di deporre l'arma, Loki uccide da solo gran parte degli agenti presenti e compie un incantesimo sul dott. Selvig e sull'agente Clint Barton mettendoli al suo servizio. Poi il dio fugge impadronendosi del Tesseract: a nulla valgono i tentativi del colonnello Fury e dell'agente Maria Hill di recuperare il Cubo Cosmico. Essendo un allarme di livello 7, Nick Fury mette in atto le contromosse ed invia gli agenti Coulson e Romanoff a localizzare un gruppo di persone già note alle cartelle dello S.H.I.E.L.D., con l'intento di creare una squadra d'azione speciale. Il progetto è chiamato Vendicatori. Steve Rogers, Bruce Banner e Tony Stark si incontrano sull'Helicarrier, un enorme portaerei dotata di una tecnologia sofisticata in grado di alzarla in volo dall'oceano e di mimetizzarla rendendola invisibile. Intanto Loki manifesta le sue intenzioni: vuole iniziare una guerra, con l'esercito dei Chitauri al suo seguito, mentre deve inoltre recuperare il Tesseract per colui che gli ha fornito l'esercito e le armi, altrimenti quest'ultimo sperimenterà una nuova forma di dolore sull'asgardiano. Per comunicare sulla Terra, questo misterioso individuo usa The Other come portavoce, che si mette in contatto con Loki tramite lo scettro. Il dio viene in poco tempo individuato dallo S.H.I.E.L.D. a Stoccarda, intento, con la forza, a scansionare e trasmettere il bulbo oculare del dottor Schäfer a Barton. Questi usa la scansione per aver accesso a una stanza contenente iridio, utile assieme al Tesseract, per aprire il portale comunicante coi Chitauri. Dopo un breve scontro con Iron Man e Capitan America, Loki viene catturato. Tuttavia durante il ritorno alla base, Thor giunge sul Quinjet dello S.H.I.E.L.D. dove stanno volando i supereroi e requisisce con la forza Loki. Thor intende portarlo con sé e sottoporlo al giudizio di Asgard ma Iron Man, deciso a recuperare il prigioniero, interrompe bruscamente il dibattito tra le due divinità. Lo scontro fra i due sembra ben lontano dalla conclusione, in quanto Thor è più forte, ma i suoi fulmini non fanno altro che potenziare l'armatura di Tony Stark. L'intervento di Capitan America riesce a placare gli animi e a convincere Thor a collaborare con lo S.H.I.E.L.D.. Tornati sull'Helicarrier, si manifestano litigi ed incomprensioni e sorgono le prime perplessità sulla coesione del gruppo. La presenza di Hulk rende inoltre tutti un po' irrequieti, ma il dottor Banner sembra aver sviluppato un notevole autocontrollo sulla rabbia che in lui scatena la trasformazione nel mostro. Vi è anche un clima di diffidenza verso le reali intenzioni dello S.H.I.E.L.D.: vengono scoperti prototipi e progetti di armi di distruzione di massa. Nick Fury rivela al gruppo che da quando è stata scoperta l'esistenza di altri mondi, dalla prima venuta di Thor, lo S.H.I.E.L.D. ha iniziato ad utilizzare il Tesseract per attuare un serio e pesante potenziamento militare, allo scopo di farsi trovare pronti ed evoluti in un possibile scontro con civiltà sconosciute. Durante questo momento di distrazione, Clint Barton ed altri agenti che hanno subito l'incantesimo di Loki assaltano l'Helicarrier per liberare il dio dalla sua prigione. Nella confusione in seguito ad un'esplosione, Bruce Banner inizia a perdere il suo autocontrollo. A nulla valgono i tentativi di Natasha Romanoff di placare il dottor Banner che, dunque, si trasforma in Hulk e con una rabbia incontrollabile si scaglia contro la Vedova Nera. Solo l'intervento di Thor salva la donna. Dopo un'equa colluttazione tra i due, Hulk precipita dalla base volante mentre tentava di distruggere un cacciabombardiere che lo aveva attaccato. Iron Man e Capitan America tentano insieme di far ripartire i motori dell'Helicarrer, distrutti dai soldati di Loki, ma nel frattempo il dio, liberato dai suoi uomini, espelle dalla nave Thor, uccide l'agente S.H.I.E.L.D. Coulson e fugge nuovamente. Intanto, a causa di una forte botta in testa da parte di Natasha, Occhio di Falco rinviene dall'incantesimo di Loki. La morte dell'agente Coulson, amico di Tony Stark e di Thor e grande ammiratore di Capitan America, crea coesione tra gli eroi e dà loro una giusta motivazione per combattere insieme il nemico comune. Stark capisce che il piano di Loki prevedeva di farsi arrestare e scatenare Hulk. Intuisce inoltre che l'asgardiano vuole portare a termine il suo piano di guerra in modo plateale, così che tutti lo possano ammirare. Il punto scelto per installare il Tesseract ed aprire un ponte spaziale non può che essere il più alto della città di New York, ovvero la Stark Tower. Giunto sul posto, Iron Man incontra Loki e il dott. Selvig sul tetto della Stark Tower. Qui si libera dell'armatura danneggiata e colloquia amichevolmente con Loki per distrarlo mentre indossa un paio di bracciali che comandano a distanza la nuova armatura di Iron Man, denominata "Mark 7". Loki punta sul petto di Stark lo scettro per praticare un incantesimo ma, fallendo nel tentativo (in quanto la tecnologia del dispositivo impiantato nel petto di Tony Stark deriva dallo stesso Tesseract), scaglia il miliardario giù dalla torre. Ma la nuova armatura "Mark 7" viene chiamata da Tony, che viene raggiunto e rivestito dell'armatura in volo. Intanto il portale spaziale generato dal Tesseract si apre in cielo ed escono i Chitauri, che assalgono l'isola di Manhattan. Iron Man ne uccide il più possibile, tuttavia un solo supereroe non basta. In città arrivano uno ad uno tutti i supereroi del progetto Vendicatori, compreso Banner, che rivela di riuscire a controllare la sua trasformazione e a riconoscere gli eroi alleati. Thor raggiunge Loki e prova a farlo ragionare ma questi, esitante, ferisce il fratello adottivo e fugge. Benché i Vendicatori stiano avendo la meglio sugli invasori Chitauri, finché il portale spaziale rimarrà aperto i rinforzi alieni continueranno ad affluire. Hulk raggiunge Loki e, nonostante gli altezzosi proclami dell'asgardiano, lo sconfigge con irrisoria facilità. Il dottor Selvig, intanto, si è ripreso dall'incantesimo di Loki e lavora alla chiusura del portale con Natasha Romanoff. Ma nel frattempo, il consiglio ha deciso di inviare un missile nucleare per distruggere i nemici insieme alla popolazione residente: Iron Man, in un atto di estremo sacrificio, usa tutte le forze per deviare il missile verso il portale e lo attraversa, colpendo la nave madre dei Chitauri. Stark si trova nello spazio e sviene non riuscendo a respirare, ma fortunatamente spinto dall'onda d'urto dell'esplosione, oltrepassa nuovamente il portale prima che si chiuda definitivamente, tornando così sulla Terra. Nel precipitare, viene salvato da Hulk. Intanto tutti i Chitauri sulla Terra muoiono in seguito all'esplosione della nave madre. Cessata la minaccia, Thor torna ad Asgard con il Tesseract e Loki prigioniero, mentre gli altri Vendicatori riprendono le rispettive strade. In caso di nuova minaccia il gruppo tornerà unito, dato che la gente sa che gli eroi non sono un pericolo, ma validi difensori del mondo, al contrario di quello che il governo sostiene. Nella scena dopo i titoli di coda, The Other parla del fallito attacco alla Terra con il suo misterioso padrone, che si rivela essere Thanos sostenendo che sfidare gli umani sarebbe come lusingare la Morte. Successivamente si vedono i Vendicatori, esausti e silenziosi, mangiare lo shawerma promesso da Tony Stark al termine della battaglia in un ristorante semi distrutto.