La película comienza situada en el espacio cuando la nave de evacuación asgardiana ha sido atacada por el Titán Loco, Thanos (Josh Brolin). Él y sus secuaces, la Orden Negra - Cull Obsidian (Terry Notary), Proxima Midnight (Carrie Coon), Ebony Maw (Tom Vaughn-Lawlor) y Corvus Glaive (Michael Shaw) - caminan entre los cadáveres de casi todos los asesinados Asgardians . Thanos enfrenta a Loki (Tom Hiddleston) y exige el Tesseract, o de lo contrario matará a Thor (Chris Hemsworth). Thanos ya tiene la Power Stone en el Infinity Gauntlet después de tomarla por la fuerza de Xandar. Loki deja que Thanos siga adelante para matar a Thor, pero cede y le presenta el Tesseract. Sin embargo, Hulk (Mark Ruffalo) ataca a Thanos y recibe unos buenos golpes antes de que Thanos deje de ir fácil y golpee a Hulk contra la pared. Heimdall (Idris Elba) usa el último de sus poderes para enviar a Hulk a través de Bifrost a la Tierra. Thanos luego empala a Heimdall a través del corazón. Loki parece rendirse a Thanos y unirse a él, pero en su lugar hace un intento inútil de matarlo. Thanos agarra a Loki por el cuello y lo aprieta hasta que aplasta el cuello de Loki, matándolo, ya que Thor solo puede mirar con angustia. Thanos abre el Tesseract para obtener la Piedra Espacial, y él y sus hijos se van. Thor se arrastra hacia el cuerpo de Loki mientras la nave explota.

Hulk se estrella en Sanctum Sanctorum en la ciudad de Nueva York mientras se transforma de nuevo en Bruce Banner. Es encontrado por el Doctor Stephen Strange (Benedict Cumberbatch) y Wong (Benedict Wong). Bruce les advierte que Thanos está por llegar. Tony Stark / Iron Man (Robert Downey, Jr.) y Pepper Potts (Gwyneth Paltrow) salen a correr mientras Tony menciona tener un sueño de que él y Pepper iban a estar esperando un hijo. Pepper no parece estar lista para eso. Strange luego entra por uno de sus portales y le dice a Tony que necesita hablar con él, y él saca a Bruce para enfatizar cuán urgente es el asunto.

Tony va al Sanctum Sanctorum donde Wong explica la historia de las Piedras Infinitas (Poder, Espacio, Alma, Tiempo, Realidad y Mente) y por qué Thanos podría querer poner sus manos sobre ellos. Tony se da cuenta de que necesita ayuda, pero le dice a Bruce lo complicado que es después de que los Avengers se separaron. Momentos después, un barco comienza a planear sobre la ciudad. Peter Parker (Tom Holland) está en una excursión cuando su araña siente un hormigueo y se da cuenta de que hay problemas. Él usa a Ned (Jacob Batalon) como una distracción para que pueda salir como Spider-Man. Maw y Obsidian encuentran a Tony, Bruce, Strange y Wong mientras intentan quitarle la piedra del tiempo a Strange. Tony obtiene su armadura Iron Man para luchar, mientras que Strange y Wong usan sus poderes también. Maw es telequinético, por lo que es capaz de desviar cualquier ataque hacia él. Bruce trata de Hulk, pero no puede. Spidey se une a la pelea mientras se enfrentan a Obsidian. Wong logra enviar a Obsidian a través de un portal (y también corta su brazo mientras trata de saltar hacia atrás antes de que se cierre). Maw agarra la Piedra del Tiempo, pero Strange le ha puesto un encantamiento que le impide agarrarla. Se lleva a Strange con él, por lo que Spidey salta a la nave de Maw. Iron Man vuela detrás de él y envía la armadura Iron Spider para proteger a Peter, pero también lo envía de vuelta a la Tierra. En cambio, Peter se las arregla para guardarse en el barco. Wong se queda para proteger el Sagrario mientras Bruce decide llamar al resto de los Vengadores.

En otros lugares del espacio, los Guardianes de la Galaxia: Peter Quill / Star-Lord (Chris Pratt), Gamora (Zoe Saldana), Drax (Dave Bautista), Rocket Raccoon (Bradley Cooper), Teenage Groot (Vin Diesel) y Mantis ( Pom Klementieff): están en camino a responder una señal de socorro enviada desde la nave asgardiana. Encuentran las ruinas de la nave y los asgardianos muertos. Thor golpea su parabrisas, y lo traen a bordo. Después de que Thor se explica a sí mismo, se entera de la conexión de Gamora con Thanos como su hija adoptiva. Thor cree que Thanos se dirige a Knowhere para obtener la piedra de la realidad de Tanileer Tivan / The Collector (Benicio Del Toro). Thor planea dirigirse al planeta Nidavellir donde se puede falsificar un arma lo suficientemente poderosa como para matar a Thanos. Rocket y Groot se marcan junto con Thor porque quieren poner sus manos (o sus patas y raíces) en algunas armas también. El resto de los Guardianes se dirigen hacia Knowhere.

En Escocia, Vision (Paul Bettany) vive con Wanda Maximoff / Scarlet Witch (Elizabeth Olsen). Mientras salen a caminar, son atacados por Glaive y Medianoche. Glaive intenta sacar la piedra mental de la cabeza de Vision, pero Wanda lucha contra los dos subordinados. En el medio de su lucha, aparece una figura sombría. Medianoche arroja su lanza, solo para que la figura la atrape. Es Steve Rogers / Capitán América (Chris Evans). A él se unen Natasha Romanoff / Black Widow (Scarlett Johansson) y Sam Wilson / Falcon (Anthony Mackie). Luchan contra Glaive y Medianoche hasta que se retiran al espacio. Los tres ayudan a Wanda y Vision a traerlos a su barco y regresar a casa.

En un flashback, un joven Gamora está en su planeta de origen ya que está separada de su madre en medio de la invasión de Thanos. Thanos lleva a Gamora con él y le presenta una daga como regalo. Él no la deja ver mientras sus secuaces ejecutan a su gente.

En el Milano, Gamora le dice a Quill que hay algo que Thanos no sabe, y si él fuera a averiguar de ella, ella le pide a Quill que la mate. Llegan a Knowhere y encuentran a Thanos interrogando a Tivan sobre el paradero de la Piedra de la Realidad. Drax está listo para irrumpir, pero Mantis lo pone a dormir. Gamora salta para apuñalar a Thanos en el cuello y en el corazón. Él cae al suelo, aparentemente muerto cuando Gamora comienza a llorar. Esto se revela como una ilusión de Thanos al ver que a ella sí le importaba. Él ya tiene la Piedra de la Realidad y estaba jugando un truco con ella. Thanos toma a Gamora mientras Quill intenta intervenir. Drax y Mantis se desordenan con el poder de la piedra. Gamora le suplica a Quill que la mate, pero Thanos convierte el arma de Quill en burbujas antes de llevarse a Gamora con él.

Peter y Tony se encuentran mientras tratan de ayudar a Strange, que está atrapado y torturado por Maw hasta que abandone la Piedra del Tiempo. Peter diseña un plan inspirado en "Aliens", en el que Tony abre un agujero en el barco para aspirar a Maw al espacio donde se congela. Strange casi es succionado hasta que Peter lo salva, y Tony cierra el agujero. Los tres se unen para detener a Thanos, y Tony "oficialmente" hace de Peter un Vengador.

Thanos sabe que Gamora descubrió dónde está la Piedra del Alma, a pesar de que ella lo niega. Para quitárselo, le muestra que Nebula (Karen Gillan) está siendo torturada haciendo que su cuerpo se parta en pedazos. Thanos usa los registros de memoria de Nebula para revelar que Gamora sabía sobre el paradero de la Piedra del Alma porque encontró un mapa para ella, pero ella lo quemó. Mientras Thanos hiere más a Nebula, Gamora cede y admite que está en el planeta Vormir. Thanos viaja allí con Gamora, y Nebula logra escapar matando a un guardia y enviando una llamada a Mantis para encontrarse en el planeta Titán.

En Vormir, Thanos y Gamora se encuentran con el guardián de la Piedra del Alma ... THE RED SKULL (Ross Marquand). Fue teletransportado al planeta a través del Tesseract y aprendió que la piedra solo se puede obtener sacrificando a un ser querido. Gamora se ríe ya que cree que Thanos no ama a nadie y que por lo tanto no puede ganar la piedra, pero Thanos derrama una lágrima, porque realmente ama a Gamora y dice que no puede renunciar a lo que quiere por segunda vez. Gamora intenta matarse con la daga, pero Thanos la convierte en burbujas. Agarra a Gamora y, con un corazón pesado, la arroja por un precipicio. Thanos es momentáneamente transportado a un reino donde encuentra la Piedra del Alma en su mano.

Thor, Rocket y Groot continúan hacia Nidavellir. En el camino, Rocket le da a Thor un nuevo ojo para compensar lo que Hela le quitó. Llegan a Nidavellir y descubren que está oscuro y no se mueve. Cuando aterrizan en el planeta, son atacados por un gigante llamado Eitri (Peter Dinklage), que es el único superviviente del planeta después de que Thanos aniquiló a su gente una vez que Eitri terminó de forjar el Infinity Gauntlet. Thor ofrece ayuda para que el planeta vuelva a funcionar y cree una nueva arma.

James "Rhodey" Rhodes / War Machine (Don Cheadle) está en el escondite de los Vengadores hablando con el General Ross (William Hurt) sobre los Avengers que están sueltos. Steve, Nat, Sam, Wanda y Vision llegan, y Bruce se reúne con ellos. Nos enteramos de que Hawkeye y Ant-Man están ausentes porque necesitaban esconderse después de salir de la cárcel. Su principal preocupación es destruir la Piedra de la Mente para que Thanos no la tenga en sus manos. Steve dice que conoce a alguien que puede ayudar.

En Wakanda, T'Challa / Black Panther (Chadwick Boseman) y Okoye (Danai Gurira) llevan un nuevo brazo de vibranio a Bucky Barnes / Winter Soldier (Sebastian Stan).

Tony, Peter y Strange llegan a Titán y se encuentran con Quill, Drax y Mantis. Brevemente pelean después de pensar que el otro está trabajando para Thanos hasta que se dan cuenta de que es un enemigo mutuo. Intentan elaborar un plan para derrotar a Thanos, pero Strange usa Time Stone para ver millones de resultados diferentes en los que pelea contra Thanos, y dice que solo hay uno en el que ganan.

Thor intenta hacer que los anillos de Nidavellir giren, incluso teniendo que girar la viga sobre sí mismo, lo que causa un daño severo a su cuerpo. Eitri usa el metal para forjar el arma, mientras que Groot logra juntarlo y usar su propio brazo como asa. Por lo tanto, Stormbreaker nace y los poderes de Thor se revitalizan.

T'Challa reúne a su ejército, incluidos M'Baku (Winston Duke) y Jabari, en preparación de la llegada de Thanos. Los otros héroes han traído la Visión a Shuri (Letitia Wright) para ayudar a extraer la Piedra de la Mente de su cabeza. Pronto, la Orden Negra llega fuera de la cúpula sobre Wakanda. Un ejército de criaturas trata de abrirse paso, y solo unos pocos logran atravesarlo mientras el resto muere tratando de entrar. T'Challa tiene una parte de la cúpula abierta para que las criaturas puedan entrar y puedan luchar. Bruce está en el pleito de Hulkbuster ya que no puede Hulk. Lucha contra Obsidian y usa el puño de cohete para enviar a la bestia hacia la cúpula donde es destruido.

Thanos llega a Titán y se encuentra con Strange. Él recuerda a Strange que Titán era un planeta hermoso con poco para su gente. Su resolución fue un genocidio en varios planetas, al que llamó "misericordia". Los héroes emboscan a Thanos en un intento de quitarle el Guantelete de la mano. Nebula llega después de estrellarse contra Thanos. Mantis tiene su agarre sobre Thanos para someterlo, pero ella no puede noquearlo porque él es demasiado fuerte. Tony, Peter y Strange intentan quitar el Gauntlet hasta que Quill pregunta dónde está Gamora. Mantis lee que Thanos está de luto, y Nebula conjetura que Thanos mató a Gamora. Quill se enfurece y comienza a golpear a Thanos, rompiendo el agarre de Mantis y arruinando el plan. Thanos usa el Gauntlet para destruir una de las lunas de Titán y lanzarla hacia los héroes. Tony se involucra con Thanos e intenta luchar, solo que Thanos empala a Tony con su propia espada. Antes de que pueda dar el golpe fatal, Strange entrega la Piedra del Tiempo a Thanos. Tony repara su herida, y Thanos desaparece.

Thor se une en la batalla de Wakanda con Rocket y Groot después de recibir poderes de Bifrost. Stormbreaker demuestra ser masivamente poderoso contra las criaturas. Wanda se une a la pelea después de ver a sus amigos lastimarse, lo que deja la visión abierta para su captura. Wanda se une a Nat y Okoye mientras toman Midnight, terminando con Wanda enviando a Midnight al camino de un mecanismo rodante que la aplasta. Glaive intenta ir tras Vision, solo para ser empalado por su propia guadaña por el propio Vision.

El Titán Loco luego llega a Wakanda. A pesar de sus esfuerzos combinados, los Avengers apenas pueden tocarlo. Steve intenta llevar a Thanos, pero se saca con un golpe rápido. Wanda usa a regañadientes sus poderes para destruir la Piedra de la Mente y la Visión mientras declara su amor por ella. Sin embargo, Thanos usa la Piedra del Tiempo para volver a unir Visión, solo para poder arrancar la Piedra Mental de su cabeza y matarlo para siempre. Con eso, Thanos tiene todas las Piedras Infinitas. Thor salta al aire y atraviesa a Thanos con Stormbreaker, pero no es fatal, y entonces Thanos chasquea los dedos.

Thanos se encuentra en otro reino donde ve al joven Gamora. Ella le pregunta si tuvo éxito y cuánto costó. Él dice todo. De vuelta en el mundo real, el Gauntlet está frito, pero las piedras permanecen intactas. Él desaparece ante los ojos de Thor. De repente, Bucky comienza a desmoronarse frente a Steve. Lo mismo le pasa a T'Challa, Sam, Wanda y Groot, así como a la mayoría del ejército de Wakandan. En Titán, Drax, Mantis y Quill comienzan a desintegrarse. Peter muere lentamente en los brazos de Tony. Strange sigue su ejemplo. Tony y Nebula se quedan solos en Titán, con Nebula sabiendo lo que sucedió. En la Tierra, Steve solo puede mirar con desesperación mientras sus amigos se van.

Lo último que vemos es a Thanos en otro planeta mirando el amanecer y sonriendo con satisfacción.

Después de Créditos: Nick Fury (Samuel L. Jackson) y Maria Hill (Cobie Smulders) conducen mientras la gente comienza a desintegrarse a su alrededor. María va primero cuando Fury intenta enviar una llamada de socorro, justo antes de que también se desintegra también (incluso sacando un "Motherf-" antes de ir). Vemos el dispositivo de mensaje de Fury enviando la llamada para revelar la insignia de ... CAPTAIN MARVEL.