En el país de Europa del Este, Sokovia, los Vengadores -Tony Stark, Steve Rogers, Thor, Bruce Banner, Natasha Romanoff y Clint Barton- asaltan una instalación de Hydra comandada por el Barón Wolfgang von Strucker, que ha experimentado con humanos utilizando el cetro que antes empuñaba Loki. Se encuentran con dos de los sujetos de prueba de Strucker -los gemelos Pietro (que tiene una velocidad sobrehumana) y Wanda Maximoff (que tiene habilidades telepáticas y telequinéticas)- y detienen a Strucker, mientras Stark recupera el cetro de Loki.

Stark y Banner descubren una inteligencia artificial dentro de la gema del cetro y deciden utilizarla en secreto para completar el programa de defensa global "Ultrón" de Stark. El inesperado Ultrón, creyendo que debe erradicar a la humanidad para salvar la Tierra, elimina la I.A. J.A.R.V.I.S. de Stark y ataca a los Vengadores en su cuartel general. Escapando con el cetro, Ultrón utiliza los recursos de la base de Strucker en Sokovia para mejorar su rudimentario cuerpo y construir un ejército de drones robot. Tras matar a Strucker, recluta a los Maximoff, que consideran a Stark responsable de la muerte de sus padres por las armas de su compañía, y se dirige a la base del traficante de armas Ulysses Klaue en Johannesburgo para conseguir vibranium. Los Vengadores atacan a Ultrón y a los Maximoff, pero Wanda los somete con visiones inquietantes, lo que hace que Banner se convierta en Hulk y arrase hasta que Stark lo detiene con su armadura anti-Hulk.

Una reacción mundial por la destrucción resultante, y los temores que las alucinaciones de Wanda incitan, hacen que el equipo se esconda en la granja de Barton. Thor parte para consultar con el Dr. Erik Selvig sobre el futuro apocalíptico que vio en su alucinación, mientras que Nick Fury llega y anima al equipo a formar un plan para detener a Ultrón. En Seúl, Ultrón utiliza el cetro de Loki para esclavizar a la amiga del equipo, Helen Cho. Utilizan su tecnología de tejidos sintéticos, vibranium y la gema del cetro para crear un nuevo cuerpo. Mientras Ultrón se introduce en el cuerpo, Wanda es capaz de leer su mente; al descubrir su plan de extinción humana, los Maximoff se vuelven contra Ultrón. Rogers, Romanoff y Barton luchan contra Ultrón y recuperan el cuerpo sintético, pero Ultrón captura a Romanoff.

Los Vengadores luchan entre ellos cuando Stark y Banner suben en secreto a J.A.R.V.I.S. -que sigue trabajando tras esconderse de Ultrón dentro de Internet- al cuerpo sintético. Thor vuelve para ayudar a activar el cuerpo, basándose en su visión de que la gema de su frente es la Piedra de la Mente, una de las seis Piedras del Infinito, los objetos más poderosos que existen. Esta "Visión" se gana su confianza al ser digna de levantar el martillo de Thor, Mjölnir. Visión y los Maximoffs van con los Vengadores a Sokovia, donde Ultrón ha utilizado el vibranium restante para construir una máquina que eleva gran parte de la capital hacia el cielo, con la intención de estrellarla contra el suelo para provocar la extinción global. Banner rescata a Romanoff, que despierta a Hulk para la batalla. Los Vengadores luchan contra el ejército de Ultrón mientras Furia llega en un Helitransporte con María Hill, James Rhodes y agentes de S.H.I.E.L.D. para evacuar a los civiles. Pietro muere cuando protege a Barton de los disparos, y una vengativa Wanda abandona su puesto para destruir el cuerpo principal de Ultrón, lo que permite que uno de sus drones active la máquina. La ciudad cae en picado, pero Stark y Thor sobrecargan la máquina y destrozan la masa de tierra. Tras ello, Hulk, que no quiere poner en peligro a Romanoff por estar con ella, se marcha en un Quinjet, mientras que Visión se enfrenta y destruye el último cuerpo de Ultrón.

Más tarde, con los Vengadores habiendo establecido una nueva base dirigida por Furia, Hill, Cho y Selvig, Thor regresa a Asgard para saber más sobre las fuerzas que sospecha han manipulado los principales acontecimientos. Mientras Stark se va y Barton se retira, Rogers y Romanoff se preparan para entrenar a los nuevos Vengadores: Rhodes, Visión, Sam Wilson y Wanda.

En una escena de mitad de los créditos, Thanos se pone un guantelete y jura recuperar las Piedras del Infinito él mismo.