Loki bertembung dengan the Other, pemimpin keturunan makhluk luar angkasa dikenali sebagai Chitauri. Sebagai pertukaran unutk mendapatkan Tesseract, sumber tenaga yang kuat dengan potensi tidak diketahui, the Other menjanjikan Loki tentera yang boleh digunakannya untuk menakluk bumi. Nick Fury, pengarah agensi perisikan S.H.I.E.L.D. dan leftenan beliau, Ejen Maria Hill tiba di kawasan terpencil fasiliti penyelidikan semasa satu pemindahan dimana ahli fizik Dr. Erik Selvig mengetuai pasukan penyelidikan eksperimen terhadap Tesseract. Ejen Phil Coulson menjelaskan bahawa objek itu telah mula memancar satu tenaga luar biasa. Tesseract tiba-tiba aktif dan membuka lubang cacing membolehkan Loki untuk sampai ke Bumi. Loki mengambil Tesseract dan menggunakan tongkatnya untuk menghambakan Selvig serta beberapa ejen termasuk Clint Barton untuk membantunya.

Sebagai respons kepada serangan itu, Fury mengaktifkan "Inisiatif Avengers". Ejen Natasha Romanoff dihantar ke Kolkata untuk merekrut Dr. Bruce Banner untuk mengesan Tesseract melalui pelepasan radiasi gamma. Coulson melawat Tony Stark untuk menyuruhnya mengulas penyelidikan Selvig dan Fury mendekati Steve Rogers dengan tugasan untuk mendapatkan Tesseract.

Di Stuttgart, Barton mencuri iridium yang diperlukan untuk menstabilkan kuasa Tesseract manakala Loki mencetuskan gangguan yang membawa kepada konfrontasi dengan Rogers, Stark, dan Romanoff yang berakhir dengan penyerahan diri Loki. Semasa Loki dibawa ke S.H.I.E.L.D. abang angkatnya, Thor tiba dan membebaskan dia dengan harapan untuk meyakinkannya untuk meninggalkan rancangan dan kembali ke Asgard. Selepas konfrontasi dengan Stark dan Rogers, Thor bersetuju untuk membawa Loki ke pesawat S.H.I.E.L.D. iaitu Helicarrier. Di sana, Loki dipenjara manakala Banner dan Stark berusaha untuk mengesan Tesseract.

The Avengers berpecah belah, kedua-duanya ke atas bagaimana untuk mendekati Loki dan mendapat tahu bahawa S.H.I.E.L.D. merancang untuk memanfaatkan Tesseract untuk membangunkan senjata sebagai penghalang terhadap makhluk luar angkasa. Semasa kumpulan itu bertengkar, Baron dan ejen lain yang dikuasai Loki menyerang Helicarrier itu, mematikan enjin semasa penerbangan dan menyebabkan Banner berubah menjadi Hulk. Stark dan Rogers cuba untuk menghidupkan semula enjin yang rosak dan Thor cuba untuk menghentikan amukan Hulk. Romanoff melawan Barton dan memukulnya sehingga tidak sedarkan diri, memecahkan kawalan fikiran Loki. Loki melepaskan diri selepas membunuh Coulson dan mengeluarkan Thor daripada pesawat itu manakala Hulk terjatuh ke tanah selepas menyerang sebuah jet pejuang S.H.I.E.L.D. Fury menggunakan kematian Coulson untuk memberi motivasi kepada para Avengers untuk bekerja sebagai satu pasukan. Stark dan Rogers menyedari bahawa pada Loki mengalahkan mereka tidak akan cukup; dia perlu mengatasi kehebatan mereka secara terbuka untuk mengesahkan dirinya sebagai penguasa Bumi. Loki menggunakan Tesseract bersama-sama dengan peranti Selvig untuk membuka lubang cacing di atas Menara Stark ke angkasa armada Chitauri sekaligus melancarkan serangannya.

The Avengers berhimpun mempertahankan Bandar Raya New York, lokasi lubang cacing tetapi dengan cepat menyedari mereka akan diatasi selepas gelombang demi gelombang Chitauri turun ke bumi. Banner tiba dan bertukar menjadi Hulk dan bersama-sama Rogers, Stark, Barton dan Romanoff, dia bertempur dengan Chitauri sambil memindahkan orang awam. Hulk menjumpai Loki dan memukulnya sehingga menyerah. Romanoff pergi ke penjana lubang cacing dimana Selvig, bebas daripada kawalan Loki mendedahkan tongkat Loki boleh digunakan untuk menutup penjana. Sementara itu, Fury cuba untuk menamatkan serangan dengan melancarkan peluru berpandu nuklear di Midtown Manhattan. Stark memintas peluru berpandu dan membawanya ke dalam lubang cacing ke arah armada Chitauri. Peluru berpandu itu meletup sekaligus memusnahkan induk Chitauri dan melumpuhkan tentera mereka di Bumi. Sut Stark kehabisan kuasa dan dia jatuh kembali ke Bumi ketika Romanoff menutup. Stark jatuh dengan bebas tetapi Hulk menyelamatkannya daripada terhempas ke tanah. Selepas itu, Thor mengembalikan Loki dan Tesseract ke Asgard, manakala Fury meluahkan keyakinan bahawa Avengers akan kembali jika dan apabila mereka diperlukan.

Dalam babak pertengahan kredit, the Other berbincang dengan tuannya3 mengenai serangan yang gagal di Bumi. Dalam babak pasca-kredit, the Avengers makan bersama-sama di sebuah restoran.