В начале фильма нам показывают флешбек в прошлое Таноса. Планету Титан, его родину, уничтожает Целестиал с Камнем Силы (к этой расе, как вы можете помнить, принадлежит Эго из «Стражей Галактики 2». Уже в настоящем Танос уничтожает планету Ксандар, на которой находится корпус Нова, и забирает Камень Силы.

Затем Танос нападает на корабль Тора (помните эпизод из сцены после титров в фильме «Тор: Рагнарек»?) и убивает большинство асгардцев, включая Локи. Он забирает Камень космоса, который бог обмана похитил в сокровищнице Одина. Халка Танос отправляет в портал, а Тор остается в космосе. Халк через портал падает на Землю — на Санктум Санкторум Доктора Стрэнджа. Превратившись в Брюса Баннера, он предупреждает Стивена об опасности.

Тем временем в космосе Тора находят Стражи Галактики. Поговорив, они разделяются: Звездный Лорд, Гамора, Дракс и Мантис летят на Знамогде, где находится Коллекционер и Камень Реальности в его коллекции, а Тор, Енот и Грут отправляются в Космическую кузницу к гномам, выковавшим молот Мьельнир. Тор хочет, чтобы гномы помогли ему в борьбе с Таносом и сделали ему новое оружие.

Тони Старк приезжает в Нью-Йорк к Стрэнджу, Вонгу и Баннеру, и почти в то же время внезапно прилетает огромный инопланетный корабль. Он атакует Манхэттен в поисках Камня Времени (Око Агамотто у Доктора Стрэнджа). Баннер не может превратиться в Халка, но появляется Человек-паук и вместе с героями дает отпор армии Таноса. Войско титана отступает. Вонг остается защищать Санктум Санкторум.

Танос тем временем появляется на Знамогде и убивает Коллекционера, чтобы забрать Камень Реальности, но в потасовке Стражам Галактики (к которым присоединяется Небула) удается его украсть и сбежать.

Тем временем Тор, Енот и Грут в Кузнице гномов получают топор Громобой и убеждают гномов встать на их сторону. Выясняется, что именно гномы выковали Перчатку Бесконечности для Таноса, который на самом деле пытается защищать людей, только делает это неправильным образом - он хочет уничтожить часть вселенной для блага остальных. Появляется армия Таноса, начинается большая битва, в результате которой герои убегают, а Кузница остается в руинах.

Старк собирает всех Мстителей, включая Соколиного глаза и Воителя. Он также звонит Стиву Роджерсу по телефону, который тот оставил ему в конце "Противостояния". Стив в бегах вместе с Черной вдовой и Соколом, но они договариваются встретиться с Тони в Ваканде.

Черный орден нападает на Вижена и Ванду в Европе — их защищают Стив, Вдова и Сокол, однако Вижен оказывается сильно ранен, и Ванда решает привезти его в Ваканду, где его могут починить.

Тор со Стражами прилетают на Землю и встречаются с Мстителями. Все они вместе с Ником Фьюри и Марией Хилл летят в Ваканду, где воссоединяются с командой Стива Рождерса и обсуждают с Черной пантерой и его народом Камни Бесконечности.

Танос узнает про Ваканду и вторгается туда. Мстители и Стражи отбивают атаку, Баннер наконец превращается в Халка, а герои убивают оставшихся членов Черного ордера. Но в бою погибает Вижен.

У героев в распоряжении оказываются Камни Времени, Реальности и Разума, а у Таноса — Силы и Пространства. Гамора из прошлых слов Таноса, которые он говорил, когда она служила ему, понимает, что Камень Души должен быть на Титане. Стражи, Железный человек, Доктор Стрэндж и Человек-паук на корабле Стражей летят на Титан с Камнями Бесконечности, чтобы остановить Таноса.

Пока они ищут Камень Души на Титане, к ним телепортируется Танос. Он говорит, что знал о местонахождении Камня Души и просто хотел заманить сюда героев. Он всех жестоко избивает, убивая свою дочь Небулу, а после забирает все Камни и заявляет, что Камень Души — не на Титане, а он и есть Титан.

Танос вырывает Камень из центра планеты, теперь у него все Камни Бесконечности, и он способен изменить вселенную. Танос смотрит на поверженных героев, смеется и щелкает пальцами.