После событий Войны Бесконечности половина живых существ во Вселенной уничтожена. Спустя три недели призванная на помощь Кэрол Дэнверс спасает дрейфующих в космосе Небулу и Тони Старка и перемещает их на Землю. С ними объединяются Наташа Романофф, Брюс Бэннер, Стив Роджерс, Ракета, Тор и Джеймс Роудс. Команда начинает обдумывать план, как отнять Камни Бесконечности у Таноса, чтобы попробовать вернуть погибших. Небула рассказывает им, что Таноса можно найти на планете Титан II, а Ракета подтверждает её слова, ссылаясь на то, что на этой планете произошёл всплеск энергии, схожий с тем, который произошёл на Земле, когда Танос сделал щелчок пальцами. Прибыв на Титан II, команда нападает на Таноса. Тор отрубает ему руку с Перчаткой Бесконечности, но выясняется, что Камней в ней нет — они уничтожены Таносом. Титан объясняет это тем, что Камни выполнили свою задачу — исправили вселенную и больше не нужны. Тор в гневе убивает Таноса.
Проходит пять лет. Команда Мстителей, перешедшая к мирной жизни, снова собирается вместе. Примкнувший к ним Человек-муравей, случайно выбравшийся из квантовой реальности, рассказывает о своём нахождении в квантовом мире. Изучая его, Мстители приходят к выводу, что в нём возможны перемещения во времени. Они обращаются за помощью к Тони Старку, который сначала отказывается, но потом меняет своё решение и создаёт работающий прототип машины времени.
Мстители разделяются на группы и собираются найти и собрать Камни в прошлом, при этом у них есть лишь одна попытка, так как количество нужных частиц Пима ограничено и у команды нет ресурсов для создания новых молекул. Брюс, Стив, Скотт и Тони отправляются в события Битвы за Нью-Йорк 2012 года за Камнями Времени, Разума и Пространства. Халк идёт за Камнем Времени в Санктум Санкторум к Доктору Стрэнджу, но вместо него встречается с Древней, которая говорит ему, что он пришёл на 5 лет раньше, и Стрэндж ещё не стал тем, кем его знает Бэннер. Древняя отказывается отдавать ему Камень, но когда Брюс говорит ей, что Стрэндж отдал Таносу Камень по своей воле, она меняет решение и все же отдаёт Камень Бэннеру. Старк, Роджерс и Лэнг отправились в башню Старка за Камнями Разума и Пространства. Стиву удалось обмануть агентов У.Д.А.Р.а, прикинувшись агентом Гидры, и забрать скипетр Локи, но по пути он встречает версию самого себя из прошлого. Стив из 2012-го подумал, что это Локи; между ними началась драка, победил Стив Роджерс из будущего. В это же время Старк и Лэнг пытаются забрать Тессеракт. Уменьшенный Лэнг вызывает короткое замыкание в реакторе Старка из 2012-го, из-за чего тот падает на пол и роняет кейс с артефактом. Скотт отталкивает кейс Старку из 2023-го, но, когда тот пытается уйти, он внезапно сталкивается с Халком из прошлого и теряет кейс. Тот попадает к ногам Локи, который захватывает Тессеракт и исчезает в неизвестном направлении. Отдав скипетр Локи Лэнгу, Роджерс и Старк перемещаются в 1970 год, где забирают Тессеракт и новые частицы Пима, чтобы вернуться в 2023 год. Ракета и Тор перемещаются за Камнем Реальности в Асгард 2013 года, чтобы забрать Эфир. Ракета успешно извлекает Камень из Джейн Фостер, а Тор разговаривает со своей матерью Фриггой за несколько часов до её гибели от рук Малекита. Перед отправлением обратно в 2023 год Тор забирает с собой молот Мьёльнир. Бартон и Романофф отправляются за Камнем Души на Вормир в 2014 год, однако этот Камень можно получить только в обмен на жизнь, и Наташа жертвует собой. На Мораге 2014 года Небула и Воитель находят Камень Силы. Из-за присутствия двух Небул в одном времени и пространстве между ними возникает связь, и Таносу становятся известны планы Мстителей. Он решает заменить Небулой из прошлого Небулу из будущего и заполучить собранные Камни, а затем уничтожить всех живых существ во Вселенной и заселить её заново.
Мстители возвращаются в 2023 год и инкрустируют Камни в новую Перчатку Бесконечности, созданную Старком. Халк надевает Перчатку и возвращает к жизни всех уничтоженных щелчком. Небула из 2014-го активирует портал, через который Танос перемещается в нашу реальность. Он уничтожает базу Мстителей и отправляет верную ему Небулу за Перчаткой. Тор, Железный человек и Капитан Америка выбираются из руин и атакуют Таноса. Танос выводит из строя Старка и Тора, а Роджерс поднимает в руки Мьёльнир и остаётся с Таносом один на один. Титан призывает свою армию Читаури и Чёрный Орден и собирается уничтожить всю Землю. Но вдруг из порталов начинают появляться другие, в том числе и вернувшиеся к жизни герои. Начинается сражение. Мстители пытаются отправить Перчатку с Камнями в прошлое, но Танос перехватывает её, надевает и пытается щёлкнуть пальцами. Ему мешают прибывшая Кэрол Дэнверс, а затем Железный человек, который забирает Камни и сам щёлкает пальцами. Танос и его армия уничтожены, но от повреждений, нанесённых использованием Перчатки, гибнет и сам Тони.
В финале происходят похороны Тони Старка. Стив Роджерс отправляется в прошлое, чтобы вернуть Камни и Мьёльнир в правильное время, но решает не возвращаться назад и провести остаток жизни с Пегги Картер; появившись в настоящем времени стариком, он отдаёт свой щит Соколу. В прошлом показано, как Стив и Пегги танцуют, как он и обещал ей.