טוני סטארק \/ איירון מן (רוברט דאוני ג'וניור) פותח יוזמה חדשה שמטרתה לשמור על שלום העולם באמצעות תוכנית טכנולוגית מתקדמת, אך הדברים יוצאים מכלל שליטה כשהמערכת שהוא יצר מתפתחת לכדי ישות מלאכותית מסוכנת בשם אולטרון. אולטרון, שנוצר מתוך מטרה להגן על האנושות, הופך במהרה לאויב מסוכן שמאיים להשמיד את כל מה שטוני וחבריו הנוקמים מנסים להגן עליו. הנוקמים, הכוללים את תור (כריס המסוורת'), ברוס באנר \/ האלק (מארק ראפלו), סטיב רוג'רס \/ קפטן אמריקה (כריס אוונס), נטשה רומנוף \/ בלק ווידו (סקרלט ג'והנסון) וקלינט ברטון \/ הוקאיי (ג'רמי רנר), נאלצים להתמודד עם האיום החדש ולנסות לעצור את אולטרון לפני שיגרום להרס בלתי הפיך.
במהלך הקרב מול אולטרון, נוצרים בריתות לא צפויות בין הגיבורים, והם נאלצים לשתף פעולה בדרכים חדשות ומאתגרות. פעולות בלתי צפויות מובילות אותם להרפתקה עולמית שבה כל אחד מהם נבחן מחדש, והקשר ביניהם מתהדק תחת לחץ עצום. האיזון העדין בין כוח ואחריות עומד למבחן כשהגורל של כדור הארץ כולו תלוי בהחלטותיהם ובאומץ ליבם. הנוקמים נדרשים למצוא את הדרך לעצור את אולטרון ולהחזיר את הסדר לעולם, כשהם מתמודדים לא רק עם אויב חיצוני אלא גם עם הקונפליקטים הפנימיים שמלווים כל אחד מהם. בסופו של דבר, טוני סטארק מבין שהטכנולוגיה שיצר יכולה להיות גם ברכה וגם קללה, ומחליט לקחת אחריות מלאה על מעשיו. באמצעות שיתוף פעולה הדוק עם יתר הנוקמים, הם מצליחים לפגוע בליבת התוכנה של אולטרון ולנטרל את האיום. הקרב הסופי מתרחש בעיר סוקוביה, שם הנוקמים מתמודדים עם צבא רובוטים שמאיים להשמיד את האזור כולו. במהלך הקרב, פייטרו מקסימוף וקוויקסילבר מצטרפים למאבק לצד הנוקמים, בעוד אליזבת אולסן מגלה את כוחותיה ומתחילה להכיר את עצמה מחדש. בסיום, הניצחון מגיע במחיר אישי גבוה, והנוקמים מבינים שעליהם להמשיך לשמור על העולם גם מול איומים עתידיים, כשהם מחזקים את הקשרים ביניהם ומכינים את עצמם לאתגרים הבאים.
