Первая сцена показывает, как Соколиный глаз теряет семью — отвернулся, поворачивается, а там никого уже нет. Затем идет сцена с Тони и Небулой. Тони записывает сообщение для Пеппер, засыпает, а, проснувшись, видит свечение перед кораблем: Капитан Марвел возвращает их на Землю.

Там Мстители пытаются найти Таноса; Стив и Тони спорят. Небула знает, куда Танос планировал отправиться отдыхать, и Мстители его находят. Он один, он слаб после использования Перчатки, и Тор отрубает ему голову.

Пять лет спустя Кэрол Дэнверс улетает на другую планету, Наташа и Стив обсуждают, как Мстители стали друг для друга семьей, а крыса в фургончике Луиса активирует переключатель, который выпускает Скотта Лэнга из Квантового измерения. Убедившись, что Кэсси не пропала от щелчка, он едет к Мстителям и рассказывает им про Квантовое измерение и то, что можно с его помощью отправиться в прошлое и все исправить.

Тони Старк отказывается помогать: его все устраивает. Тогда они отправляются к Профессору Халку, который и строит им машину времени, которая, правда, не работает. Старк наконец смоглашается помочь и дорабатывает машину времени — правда, для ее функционирования нужны квантовые частицы.

Наташа находит в Японии грустящего Клинта, Ракета и Халк вербуют Тора, который пьет и играет в видеоигры с Коргом и Миеком. Команда в сборе, но квантовых частиц хватит только на одно путешествие для всех.

Тони, Стив, Скотт и Брюс отправляются в Битву за Нью-Йорк из первых «Мстителей». Халк посещает Санктум и убеждает Древнюю отдать ему Камень времени, рассказав, что Стрэндж в будущем передаст его Таносу. Муравей, Капитан и Железный человек пытаются захватить Тессеракт после победы над Локи. Тессеракт оказывается у двойного агента ЩИТа/Гидры Кроссбоунса, но Капитан убеждает отдать ему чемодан с артефактом, сказав волшебные слова «Hail Hydra».

Александр Пирс требует передать Камень и Локи ему. У Тони Старка есть план, но его случайно вырубает Халк из прошлого, и Локи телепортируется с Тессерактом, пока никто не видит. Кэп случайно встречается с самим собой из прошлого, и Кэп-2012 думает, что Кэп-2019 — это замаскированный Локи. Они дерутся, Кэп-2012 побеждает, но Кэп-2019 говорит ему, что Баки жив, что дает ему возможность провести решающую контратаку.

Тор и Ракета летят в Асгард, чтобы взять Камень Реальности у Джейн Фостер. Тор говорит с Фреей, пока Ракета ворует Камень. За енотом бегут охранники, но Тор останавливает их, протянув руку и схватив Мьельнир. Они возвращаются в настоящее.

Воитель и Небула обследуют планету Мораг, а Клинт и Наташа летят на Вормир. Небула этого не знает, но ее системы синхронизируются с ее прошлой версией, позволяя Таносу узнать, где все Камни и как он умрет.

Тони, Скотт, Стив и Брюс в Нью-Йорке размышляют, где можно получить одновременно и Тессеракт, и квантовые частицы для еще одного прыжка во времени. Брюс и Скотт отправляются в настоящее со Скипетром и Камнем Времени, а Кэп и Тони перемещаются в то время, когда над Тессерактом работал Говард Старк. Тот встречается с Тони и говорит ему, что надеется, что его будущий сын не станет таким же, как он, потому что семья важнее работы. В это время Кэп ворует у молодого Хэнка Пима квантовые частицы для возвращения в настоящее и попутно видит Пегги Картер. Камео Стэна Ли: молодой Ли из 70-х проезжает мимо базы ЩИТа на машине.

Воитель и Небула находят Питера Квилла, танцующего в начале «Стражей Галактики», и вырубают его. Они получают Камень, Воитель возвращается в настоящее, но Небулу догоняет ее версия из прошлого — и побеждает ее. В настоящее отправляется злая Небула-2014.

На Вормире Клинт и Наташа узнают, как получить Камень Души. Клинт прыгает со скалы, но Наташа ловит его «кошкой» и прыгает сама. Камень достается Клинту.

Все возвращаются в настоящее (кроме погибшей Вдовы). Тони и Брюс сооружают Перчатку; Халк надевает ее, щелкает пальцами и восстанавливает всех исчезнувших, повреждая свою правую руку. Жена Клинта звонит ему.

Небула-2014 активирует квантовый телепортатор и призывает космический корабль Таноса, который сносит башню Мстителей. Халк вылезает из-под завалов, как на обложке комикса Secret Wars. Начинается гонка за Перчаткой; ее подбирает Клинт, и за ним несутся приспешники Таноса. Его останавливает Небула-2014, но затем Небула-2019 убивает себя из прошлого.

Кэп, Тор и Тони выступают вместе против Таноса. Тор проигрывает даже с Гром-секирой и Мьельниром. В тот момент, когда Танос уже готов убить Тора его же секирой, Кэп поднимает Мьельнир и сражается с Таносом при помощи молота и щита. Титан разбивает щит Кэпа и вызывает против него огромную армию, в числе которой и Черный Орден.

На помощь Кэпу приходят Сэм, Вонг, Валькирия, Оса, гигантский Человек-муравей, Пеппер Поттс, а также армии Ваканды, Асгарда и волшебников. От Клинта Перчатка попадает Пантере, затем Пауку. Квилл встречает Гамору из прошлого и получает от нее по яйцам, потому что она еще не успела его полюбить. Алая ведьма начинает было побеждать Таноса, но тот приказывает своему кораблю разбомбить всех внизу. Корабль уничтожает вернувшаяся Капитан Марвел.

В кульминации Танос отбирает у Тони Старка Перчатку и щелкает пальцами. Ничего не происходит. Камни летят к Старку. Щелк — вспышка света, и армия Таноса вместе с предводителем обращается в пепел. Тони умирает на руках Пеппер.

На похоронах Тони его голограмма дает прощальную речь всем присутствующим, включая его дочь. Хэппи произносит речь и остается с дочерью Старка. Тор называет Валькирию королевой Нового Асгарда в норвежском Тоннсберге и отправляется со Стражами на поиски пропавшей Гаморы из настоящего и других асгардцев. Квилл и Тор уже цапаются из-за лидерства.

Кэп отправляется разложить камни на их законные места. Халк говорит brb и не возвращается. Сэм встречает на скамеечке старика, который оказывается Стивом Роджерсом с обручальным кольцом. Он передает свой щит Сэму. Последний кадр показывает, как молодой Кэп танцует с Пегги. Конец.