在灭霸使用宝石手套摧毁一切后，地球上的人类与超级英雄付出了惨痛的代价。美国队长领导下的复仇者们，在悲痛中寻求救赎。这时，惊奇队长自太空中带回钢铁侠和星云，随后选择退役。而美国队长等人则决心前往泰坦星，消灭灭霸，找回宝石。雷神兄弟的锤子燃烧着怒火，灭霸挥舞着斧头，双方展开了激烈的战斗。宇宙霸主灭霸，最终败在了复仇者联盟的手中。

随着所有宝石的摧毁，超级英雄们失去了希望，各自回归了平静的生活。五年后，蚁人从量子世界逃脱，发现世界已面目全非。原来，这一切都是灭霸的杰作。蚁人找到了美国队长，告知他可以使用时光机回到过去。美国队长立即召集钢铁侠和蚁人，但钢铁侠却毫无兴趣。最终，美国队长找到了绿巨人，开始实验时光机，目标是蚁人。整个旅程充满波折，而钢铁侠在国内也进行了详细的分析，确认时间旅行的可能性。这让钢铁侠兴奋不已，迅速制造出时间旅行机器，与美国队长等人合并。

随后，美国队长开始召集队友。绿巨人巧妙地找到了雷神兄弟，此时的雷神身材丰满，体重超过200公斤。当雷神看到绿巨人前来邀请时，黑寡妇也找到了鹰眼，将鹰眼带回了队伍中。众人分析宝石的位置后，决定分成四队寻找宝石。美国队长带领的第一队在当时遭遇了小洛基的攻击，绿巨人展现出了残忍的一面，这让绿巨人自己也感到尴尬。随后，绿巨人找到了古一大师，试图从她那里得到时间宝石。然而，古一大师非常坚决，拒绝将时间宝石交给绿巨人。她告诉绿巨人，如果时间宝石被带到未来，整个时间线都会改变。绿巨人提出用完后送回去，但古一大师坚持自己的原则，拒绝交出时间宝石。

与此同时，美国队长假扮九头蛇，从九头蛇手中抢走了心灵宝石。但钢铁侠在获取太空宝石时遇到了问题，被过去的绿巨人用门夹住了头，导致小洛基用太空宝石逃脱。为了得到太空宝石，美国队长和钢铁侠决定让蚁人先带着心灵宝石回到未来。两人穿越到1970年，准备从九头蛇手中获取太空宝石。当美国队长到达一个秘密基地时，发现钢铁侠已经将太空宝石放进了盒子里。此外，钢铁侠还遇到了他的父亲老斯塔克，他们聊了很久。美国队长也遇到了他深爱的妹妹佩吉·卡特。虽然美国队长想与卡特多聊一会儿，但时间紧迫，任务繁重，他必须立刻离开。

星云和战争机器在另一边，2014年的星云在霍尔星遇到了星爷，但星爷的歌声和舞蹈让星云非常不舒服。这激怒了战争机器，直接扇飞了星爷，并获得了星爷的钥匙，得到了力量宝石。然而，在时间旅行时，战争机器带着能量宝石离开了，但星云在2014年与星云相连，失去了控制，并被灭霸逮捕。灭霸还发现自己在未来被雷神杀死，这激怒了灭霸，他决定前往未来与美国队长等人作战。

2014年的星云假扮成未来的星云，想在未来打开时空之门。与此同时，雷神和方便面也来到了过去的阿斯加德故乡。雷神与母亲进行了长时间的交谈，雷神的母亲也知道他面前的雷神是来自未来。而雷神在聊天时，也找到了真正的宝石。他被一群士兵追赶，最终召唤了锤子，穿越回了未来。

另一边，黑寡妇和鹰眼来到了灵魂宝石所在的星球。为了得到宝石，黑寡妇直接用自己的生命换来了鹰眼带着灵魂宝石回归未来。众人聚集后，当黑寡妇被发现死亡时，美国队长提出复活被灭霸杀死的人，让黑寡妇的死更有意义。这群人立即制作了宝石手套，由身体强壮的绿巨人戴上。宝石手套的力量非常强大，绿巨人犹如闪电般迅速。然而，当绿巨人折断手指后，可怕的事情发生了，绿巨人的整个手臂都受了重伤。然而，那些被灭霸用珍贵的手套杀死的人真的活了过来。

此时，2014年的星云开启了时间隧道，2014年的灭霸驾驶宇宙飞船迎头赶上。灭霸非常残忍，直接炸毁了美国队长等人的基地。这激怒了雷神、钢铁侠和美国队长，他们立刻对灭霸发起了进攻。然而，灭霸的战斗力实在是太强，三人根本打不过他。哈默兄弟几乎从灭霸那里得到了水果。幸运的是，美国队长生气了，拿起雷神之锤对着灭霸就是一阵输出。然而，灭霸的战斗力实在是太强，一阵输出就拿掉了美国队长的护盾。随后，灭霸召集自己的军队彻底摧毁地球。

这时，黑豹带着一群士兵出现了。队伍中还有蜘蛛侠、女武神、绯红女巫、霍尔星主等人，他们的战斗力都非常强大。卡莫拉也加入了复仇者联盟，与灭霸军队展开了激烈的战斗。在战斗中，霍尔星爷在2014年遇到了卡莫拉，并且爱上了她。卡莫拉是个没有孩子的孩子，霍尔星主被抛弃，而绯红女巫也与灭霸在一起。作为一场混战，灭霸根本不是深红女巫的对手。他被绯红女巫压着，快要打嗝了。无奈之下，灭霸让飞船轰炸地面，绯红女巫被炸飞，灭霸只活了一条命。这时，出其不意的船长也冲了过来，并用他铁血的努力炸毁了灭霸的飞船。

随后，惊奇队长试图拿走珍贵的手套，但灭霸拿着斧子上去炸毁了时间机器。灭霸趁机戴上了宝石手套。就在灭霸准备打响指时，出其不意的队长冲了上来，打断了灭霸的手指。这激怒了灭霸，他拿起紫薯头，打在了突击队长的头上。出乎意料的是，突击队长握起了铁拳，灭霸差点把自己打昏。无奈之下，灭霸只好独自拿出力量宝石，而埃尔巴齐则煽走了这个出其不意的队长。

这时，奇异博士告诉钢铁侠，这一次成功的几率是千万分之一。钢铁侠一听到奇异博士的意思就立刻明白了。他冲上去将盔甲上的宝石吸走，直接按响了手指。灭霸的军队立刻被消灭了，灭霸也彻底接受了失败，坐在地上成了一堆渣滓。宇宙霸主灭霸，再次被打败。然而，由于宝石的巨大力量，钢铁侠也去世了。

看到这一幕，野哥深感悲痛。他曾想象过《复仇者联盟4》的结局，却从未想到钢铁侠最终会牺牲。灭霸被淘汰后，美国队长及时回去，将所有宝石归还。然而，美国队长选择了正常的生活，与卡特结婚，成为了一个老叔叔，标志着《复仇者联盟》的结束。