最先与灭霸军团遭遇的雷神索尔一行遭遇惨烈打击，洛基遇害，空间宝石落入灭霸之手。未几，灭霸的先锋部队杀至地球，一番缠斗后掳走奇异博士。为阻止时间宝石落入敌手，斯塔克和蜘蛛侠闯入了敌人的飞船。与此同时，拥有心灵宝石的幻视也遭到外星侵略者的袭击，为此美国队长、黑寡妇等人将其带到瓦坎达王国，向黑豹求助。幸免于难的索尔与星爵一行相逢，随后他们兵分两路。索尔与火箭、格鲁特踏上再铸雷神之锤的旅程，星爵则与卡魔拉等人试图阻止灭霸的恶行。而知晓灵魂宝石下落的卡魔拉，同样是其义父灭霸追踪的对象。　　攸关整个宇宙命运的史诗战役全面展开，超级英雄们为了平凡而自由的生命奋不顾身……

作为海军顶尖飞行员服役30多年后，皮特·米切尔（代号：“独行侠”）（汤姆·克鲁斯饰演）决定打破体制的限制，成为一名试飞员接受更大的挑战。当他接到命令，为一项高难度特殊任务训练一群“高空利剑”项目的毕业生时，他遇到了已故的好友兼雷达截获官，代号“笨鹅”的尼克·布拉德肖中尉之子布莱德利·布拉德肖中尉（代号：“公鸡”）。面对不确定的未来和难以释怀的心魔，独行侠必须战胜内心深处的恐惧。因此，他参与了一项需要巨大牺牲才能完成的任务。

疯狂的芭堤雅将军杜罗夫（米哈伊尔·戈尔沃伊MikhailGorevoy饰）预谋发动第三次世界大战，他制造了一场巨大的水域爆炸，致使附近的美军潜艇队遇袭。美国海军派出了海底经验丰富但名声寥寥的乔·格拉斯潜水艇船长（杰拉德·巴特勒GerardButler饰）率领潜艇队前去调查。

影片故事发在在《复仇者联盟4：终局之战》事件之后，雷神索尔（克里斯·海姆斯沃斯饰）踏上了一段他从未经历过的旅程：找回自我。但索尔的退休计划却被企图消灭众神的屠神者格尔（克里斯蒂安·贝尔饰）打断，他只好与女武神瓦尔基里（泰莎·汤普森饰）和寇格（塔伊加·维迪提饰）再次联手，其间更发现自己八年未见的前女友简·福斯特（娜塔莉·波特曼饰）获得了雷神之力、挥舞着多年前在自己面前毁灭的雷神之锤，令索尔惊讶不已。他们一起踏上了星际冒险，以揭开格尔的复仇之谜，并在为时已晚之前阻止他。