El asgardiano Loki se encuentra con el Otro, el líder de una raza extraterrestre conocida como los Chitauri. A cambio de recuperar el Teseracto, una poderosa fuente de energía de potencial desconocido, el Otro promete a Loki un ejército con el que podrá subyugar a la Tierra. Nick Fury, director de la agencia de espionaje S.H.I.E.L.D., llega a un centro de investigación remoto, donde el físico Dr. Erik Selvig dirige un equipo que experimenta con el Teseracto. El Teseracto se activa repentinamente y abre un agujero de gusano, permitiendo a Loki llegar a la Tierra. Loki roba el Teseracto y utiliza su cetro para esclavizar a Selvig y a otros agentes, incluido Clint Barton, para que le ayuden.

En respuesta, Furia reactiva la "Iniciativa Vengadores". La agente Natasha Romanoff se dirige a Calcuta para reclutar al Dr. Bruce Banner para rastrear el Teseracto a través de sus emisiones de radiación gamma. Fury se acerca a Steve Rogers para recuperar el Teseracto, y el agente Phil Coulson visita a Tony Stark para que compruebe la investigación de Selvig. Loki se encuentra en Stuttgart, donde Barton roba el iridio necesario para estabilizar el poder del Teseracto, lo que lleva a un enfrentamiento con Rogers, Stark y Romanoff que termina con la rendición de Loki. Mientras Loki es escoltado a S.H.I.E.L.D., su hermano adoptivo Thor llega y lo libera, esperando convencerlo de que abandone su plan y regrese a Asgard. Stark y Rogers intervienen y Loki es llevado al portaaviones volador de S.H.I.E.L.D., el Helicarrier, donde es encarcelado.

Los Vengadores se dividen sobre cómo abordar a Loki y la revelación de que S.H.I.E.L.D. planea aprovechar el Teseracto para desarrollar poderosas armas como elemento disuasorio contra los extraterrestres hostiles. Mientras discuten, los otros agentes poseídos por Loki atacan el Helicarrier, y la tensión hace que Banner se transforme en Hulk. Stark y Rogers trabajan para reiniciar el motor dañado, y Thor intenta detener el ataque de Hulk. Romanoff deja inconsciente a Barton, rompiendo el control mental de Loki. Loki escapa después de matar a Coulson y Fury utiliza la muerte de Coulson para motivar a los Vengadores a trabajar en equipo. Loki utiliza el Teseracto y un generador de agujeros de gusano que Selvig construyó para abrir un agujero de gusano sobre la Torre Stark hasta la flota Chitauri en el espacio, lanzando su invasión.

Rogers, Stark, Romanoff, Barton, Thor y Hulk se reúnen para defender la ciudad de Nueva York, y juntos los Vengadores luchan contra los Chitauri. Hulk vence a Loki y lo somete. Romanoff se dirige al generador, donde Selvig, liberado del control mental de Loki, revela que el cetro de Loki puede apagar el generador. Los superiores de Furia del Consejo de Seguridad Mundial intentan acabar con la invasión lanzando un misil nuclear contra el centro de Manhattan. Stark intercepta el misil y lo lleva a través del agujero de gusano hacia la flota Chitauri. El misil detona, destruyendo la nave nodriza chitauri e inutilizando sus fuerzas en la Tierra. El traje de Stark se queda sin energía y cae en caída libre, pero Hulk lo salva. Tras ello, Thor regresa con Loki y el Teseracto a Asgard, donde Loki se enfrentará a su justicia.

En una escena a mitad de los créditos, el Otro consulta a su maestro sobre el fallido ataque a la Tierra.