ハーバード大学を中退した23歳の青年ウィリアム・アンドリュースは、父親のいるボストンを離れ、西部の町ブッチャーズ・クロッシングへやって来る。バイソンの毛皮取引で栄える町で、ウィリアムは毛皮商人J・D・マクドナルドを訪ね、自分も狩猟隊に参加したいと頼む。しかしマクドナルドは、狩猟隊に加われば身を滅ぼすと忠告し、ウィリアムを雇おうともしない。そこでウィリアムは酒場で知り合ったバイソン猟師ミラーに声をかける。ミラーは、1864年にコロラド準州の山中で、何千頭ものバイソンが集まる巨大な群れを発見したと話す。群れは人の少ない谷に残っており、通常の狩りでは得られない大量の毛皮を手に入れられるという。ミラーは遠征費として500～600ドルを必要としており、ウィリアムは自分の持っている金を使って遠征費を出す代わりに、自分も狩りに参加することに。

　ミラーは片腕のチャーリー・ホッジを野営担当として連れて行き、さらに皮剥ぎを担当するフレッド・シュナイダーを雇う。出発前、ウィリアムは町の娼婦フランシーヌとも知り合う。フランシーヌはウィリアムを部屋に誘うが、ウィリアムは彼女と関係を持たずに部屋を出る。その後、ミラー、ウィリアム、チャーリー、フレッドの4人は、荷馬車に食料や道具を積んでコロラドを目指す。ミラーは自分の記憶だけを頼りに人の通らない道を進み、途中で水が不足する。フレッドはミラーの道案内に疑問を持つが、やがて水を見つけ、一行は山地へ進む。険しい山道を越えたところで、ミラーがかつて見つけた谷に到着する。そこには数千頭のバイソンが群れを作っていた。

　ミラーはすぐに狩りを始める。バイソンの群れを逃がさないように位置を取り、自分がライフルで次々と撃ち、ウィリアムとフレッドが死んだバイソンの皮を剥ぎ、チャーリーが荷馬車へ運ぶ。初めて大量のバイソンを殺して解体するウィリアムは、血や内臓に触れながら皮剥ぎを覚えていく。ミラーはバイソンを撃ち続け、殺した数が増えても狩りを止めない。ウィリアムとフレッドは、皮を剥ぐ作業が追いつかないほどバイソンを殺すミラーに疑問を持つようになる。ミラーは当初、数週間で戻る予定を話していたが、目の前の大群を見てからは、できるだけ多くのバイソンを殺すことに集中していく。

　狩りが続くにつれて谷にはバイソンの死骸が増え、ミラーはさらに多くのバイソンを撃つ。ウィリアムが群れを逃がそうとすると、ミラーはそれを止める。ミラーは群れを谷に留め、狩りを続けるため、予定していた帰還時期を過ぎても山を離れようとしない。やがて気温が下がり、冬になり雪が降り始める。4人は山を下りることができなくなり、谷で冬を越すことになる。ミラーは、春までには雪が解けて山道を通れるようになると判断する。

　雪に閉ざされた生活では食料も減っていく。バイソンの肉を食べながら過ごし、皮を使って寒さをしのぐ。フレッドは早く山を下りるべきだと主張するが、ミラーは狩りを続ける。チャーリーは聖書を持ち歩き、信仰について語る。フレッドはチャーリーの信仰をからかい、チャーリーの聖書を奪って騒ぎになる。ミラーがバイソンを殺し続ける一方で、フレッドはこのまま山に閉じ込められることを拒もうとする。

　その後、チャーリーはフレッドの食事にオオカミ退治用の毒を混ぜる。フレッドは食事をしたあと腹を壊し、自分だけが体調を崩していることから、食事に何か入れられたと気づく。フレッドはチャーリーを問い詰め、チャーリーが使っていた毒を確認する。フレッドはチャーリーを襲い、殴り倒す。ミラーとウィリアムがその場に戻るころにはチャーリーは重体となっており、フレッドはチャーリーが自分を毒殺しようとしたと説明する。ミラーはチャーリーにとどめを刺す。

　冬が終わるころ、雪が解けて帰路につける状態になる。ミラーたちは大量の毛皮を荷馬車に積む。すべてを運ぶことはできないため、一部を山に残し、残りを持って町へ戻ることにする。ミラーは今回の狩りで合計4700枚の毛皮を得たと計算し、その価値は1万8000ドル以上になると話す。荷馬車には約1500枚を積み、山中には3000枚以上を残していく。ミラーは大金を手にして町へ帰れると考えている。

　しかし、山を下る途中で荷馬車が不安定になって、フレッドは毛皮を積みすぎていると指摘するが、ミラーはそのまま進もうとする。荷馬車が崩れ、フレッドは崖に落下して死亡し、積んでいた毛皮も失われる。ミラーとウィリアムは残った荷物を持ってブッチャーズ・クロッシングへ戻る。

　町に戻ると、以前とは様子が変わっている。人影は少なく、毛皮取引も以前のように行われていない。2人はマクドナルドを探し出す。マクドナルドは、2人が山にいる間にバイソンの毛皮市場が崩壊し、毛皮の価格が暴落したと説明する。以前なら1枚4ドルだった毛皮が、10セント程度の価値しかなくなっている。ミラーは自分たちが山に残した3000枚の毛皮を持ち帰ればまだ金になると主張するが、マクドナルドは、もう誰も大量のバイソンの毛皮を欲しがっていないと答える。

　マクドナルドはウィリアムに、父親のもとへ戻って仕事をするよう促す。しかしウィリアムは、今回の旅で自分が見たものを理由に、以前の生活へ戻ることを選ばない。マクドナルドとの会話を終えたあと、ウィリアムは町に残る。ミラーは自分たちが命をかけて集めた毛皮が無価値になったことを知り、残っていた毛皮を燃やす。町の人々が消火しようとするなか、ミラーは毛皮を次々と火の中へ投げ込み、建物も炎に包まれる。

　最後にウィリアムはフランシーヌのもとを訪れ、その後、町を離れる。テロップでバイソンが激減したけど現在はネイティブアメリカンの保護活動が行われていると説明があっておしまい。

　ジュリア・デニングは、アメリカのワシントン州にある町コールド・ロックで看護師として働いていた。町はかつて炭鉱で栄えていたが、6年前に鉱山が閉鎖され、仕事が減少していた。町では子どもが次々と行方不明になり、住民たちは子どもを連れ去る存在を「トールマン」と呼んでいた。

　ジュリアはある日、トレイシーの家を訪れる。トレイシーの娘キャロルは妊娠しており、自宅で出産することになった。ジュリアは出産を手伝い、赤ん坊を取り上げる。キャロルの妊娠には、トレイシーと暮らす男性が関わっていた。トレイシーはその男性と暮らし続けており、出産したキャロルと赤ん坊を家から送り出そうとする。

　トレイシーのもう一人の娘ジェニーは、言葉をほとんど話さず、ノートに文字や絵を描いて意思を伝えていた。ジェニーはジュリアにトールマンを見たと伝え、ノートにその姿を描く。

　診療を終えたジュリアは自宅へ戻る。そこには幼い息子のデヴィッドと、住み込みの子守クリスティーンがいた。ジュリアはデヴィッドを寝かしつけたあと、居間で眠る。

　夜中、ジュリアは大きな音で目を覚ます。階下へ行くと、クリスティーンが縛られ、口を塞がれていた。デヴィッドの寝室へ向かうが、ベッドから息子の姿が消えている。ジュリアは家の外へ飛び出し、デヴィッドを連れ去った人物を追いかける。

　ジュリアはトラックを追って森へ入り、足跡をたどる。途中で泥沼に落ちるが、森を抜けて道路までたどり着く。そこで警察官ドッドに発見され、町のカフェへ連れていかれる。

　カフェには住民たちが集まっていた。ジュリアは店の奥で着替えているとき、保安官や客たちが自分について話しているのを耳にする。ジュリアは裏口から逃げ、森へ入る。

　住民たちはジュリアを捜し始める。ジュリアは保安官の車に隠れ、保安官がいなくなった隙に警察署へ入り込む。建物の奥で子どもが生活できるように整えられた場所を見つけ、そこにデヴィッドの姿を発見する。しかし、デヴィッドを追いかけたところでジョンソン夫人に襲われ、意識を失う。

　目を覚ましたジュリアは拘束されていた。ジョンソン夫人は、デヴィッドが自分の息子だと告げる。デヴィッドは以前に行方不明になった子どもであり、ジュリアが実の母親から連れ去って育てていたのだった。ジョンソン夫人はジュリアに、これまで連れ去った子どもたちの行方を問い詰める。

　ジュリアは、子どもたちをトールマンに渡したと答える。ジョンソン夫人が近づくと、ジュリアは彼女を蹴って拘束を解き、その場から逃げる。そこへジェニーが現れ、ジュリアとともに行動する。二人はデヴィッドを連れて車で逃走する。

　自宅へ戻ったジュリアは、デヴィッドを地下へ連れていく。ジェニーは自分もトールマンのもとへ連れていってほしいと頼むが、ジュリアはすぐには応じない。ジュリアはジェニーを帰し、デヴィッドを地下の通路へ連れていく。そこは閉鎖された炭鉱につながっていた。ジュリアは通路の先でトールマンにデヴィッドを引き渡す。

　翌朝、警察やFBIの捜査員、町の住民たちがジュリアの家に集まる。クリスティーンは首を吊って死亡しており、ジュリアは警察に逮捕される。住民たちはジュリアを子どもたちの誘拐犯として非難する。

　警察はジュリアの自宅の地下を調べる。地下には閉鎖された鉱山へ続く通路があったが、捜査員たちは行方不明の子どもたちを発見できない。警察はジュリアを取り調べ、子どもたちの行方を問いただす。ジュリアは子どもたちを誘拐して殺害したと供述するが、実際には子どもたちを別の場所へ移送していた。

　トールマンの正体は、死んだと思われていたジュリアの夫だった。彼はジュリアと協力し、コールド・ロックで誘拐された子どもたちを町の外へ移送していた。ジュリアが子どもを連れ去り、夫がその子どもを別の場所へ運ぶという役割分担があった。

　トールマンはジェニーを町から連れ出し、都市部へ向かう。ジェニーは車の座席の下に隠れて移動する。トールマンはジェニーに新しい服を渡し、別の家庭へ連れていく。ジェニーにはベラという新しい名前が与えられ、裕福な家庭で暮らすことになる。トールマンは子どもの引き渡しに関わった女性から金を渡されそうになるが、受け取らずに立ち去る。

　数か月後、ジェニーは新しい家で暮らしていた。以前はノートに絵を描いて意思を伝えていたが、新しい生活では絵画教室に通い、言葉も話すようになっていた。部屋には絵が飾られ、以前とは異なる環境で生活していた。

　ジェニーは絵画教室へ向かう途中、公園で新しい家族と暮らすデヴィッドを見かける。デヴィッドは別の名前で呼ばれ、新しい家庭の子どもとして生活していた。ジェニーはその姿を見たあと、歩き続ける。一方、ジェニーの実母トレイシーは娘を捜し続けていた。ジュリアは逮捕されたまま収監されており、警察は行方不明の子どもたちを発見できずでおしまい。

　1999年の大晦日、スイスのベルンで開かれたパーティーに発明家のトニー・スタークが出席する。そこで植物学者のマヤ・ハンセンと出会い、彼女が研究している植物の再生能力を応用した技術について話をする。

　同じ会場にいた科学者のアルドリッチ・キリアンは、トニーに自分が立ち上げた研究組織AIMへの協力を求める。トニーはキリアンと屋上で会う約束をするが、マヤと過ごしたあと、キリアンを屋上に残したまま立ち去る。

　それから年月がたち、ニューヨークでの戦いを経験したトニーは、自宅の作業場でアイアンマン・スーツの開発を続けていた。新型のマーク42をはじめ、複数のスーツを製作している。夜も作業を続け、突然パニック発作を起こすこともあった。恋人のペッパー・ポッツはスターク社の経営を担いながら、トニーと暮らしていた。

　そのころ、マンダリンと名乗る人物が映像を通じて犯行声明を発表し、アメリカ各地で爆破事件が発生していた。トニーの運転手兼ボディーガードのハッピー・ホーガンは、スターク社を訪れたキリアンの部下エリック・サヴィンを不審に思い、彼を尾行する。

　その後、爆発事件に巻き込まれたハッピーは重傷を負い、昏睡状態に陥る。トニーはテレビを通じてマンダリンに挑戦状をたたきつけ、自宅の住所を公表する。

　すると、武装ヘリコプターがトニーの邸宅を襲撃する。ミサイル攻撃によって建物が破壊され、トニーはペッパーを逃がそうとしながら、遠隔操作も可能なマーク42を装着する。邸宅は崩壊し、トニーはスーツとともに海へ落下する。ジャーヴィスの操作によってスーツはトニーを運び出すが、設定された飛行経路に従ってテネシー州へ向かう。損傷したスーツとともに現地へ到着したトニーは、マリブへ戻れなくなる。

　テネシー州でトニーは、機械いじりが得意な少年ハーレー・キーナーと出会う。ハーレーの協力を得てスーツを修理しながら、近隣で発生した爆発事件を調べる。現場を調査すると、爆発事件とマンダリンの犯行声明に関連があることが分かり、トニーは事件の背景を追い始める。

　調査の過程で浮かび上がったのは、人体の再生能力を高める実験技術「エクストリミス」だった。この技術は身体の損傷を修復する一方、実験が失敗すると体内で異常な発熱が起き、被験者が爆発する危険性を持っていた。

　トニーが調査を進めるなか、キリアンの部下でエクストリミスを投与されたエレン・ブラントとサヴィンが現れる。トニーは二人と戦い、その場から逃れる。エクストリミスを投与された者は、負傷した身体を再生させ、高熱を利用して攻撃する能力を持っていた。

　一方、キリアンはペッパーに接触し、AIMの研究への協力を求める。ペッパーが断ると、キリアンは彼女を拘束する。ジェームズ・ローズは、ウォーマシンを改修した装甲「アイアン・パトリオット」を着用して活動していたが、キリアンの部下たちに装甲を奪われる。

　トニーはマンダリンの発信場所を突き止め、マイアミにある屋敷へ向かう。そこにいたのは、トレヴァー・スラッタリーというイギリス人俳優だった。トレヴァーはマンダリンを演じるために雇われており、テレビで発表していた犯行声明も演技だった。実際の爆破事件を指揮していたのはキリアンだった。

　キリアンはトニーの前に姿を現し、AIMがエクストリミスの実験で起きた爆発をテロ事件に見せかけていたことを明かす。キリアンはエクストリミスによって身体能力を高め、部下たちにも技術を投与していた。マンダリンという架空のテロリストを利用して世間に恐怖を広め、政府や軍に自分たちの技術を売り込もうとしていた。

　キリアンはトニーを拘束し、ペッパーを人質にしていることを告げる。その場にいたマヤ・ハンセンはキリアンの行動を止めようとするが、キリアンに銃で撃たれて死亡する。

　拘束から逃れたトニーはローズと合流する。二人はキリアンの計画と、大統領マシュー・エリスが標的になっていることを知る。キリアンの部下サヴィンはアイアン・パトリオットの装甲を利用して大統領専用機エアフォース・ワンに乗り込み、機内を制圧する。

　トニーはマーク42を遠隔操作して大統領専用機へ送り込む。機内の乗員や乗客が危険にさらされるなか、トニーはスーツを使って彼らを救出する。しかし、大統領はキリアンの部下たちに連れ去られる。

　キリアンは大統領を拘束し、石油掘削施設で処刑する計画を進める。副大統領もキリアンに協力しており、エクストリミスによって娘の身体を治療してもらうことを条件に、キリアンの計画に加担していた。

　トニーとローズはキリアンの拠点へ向かう。トニーはジャーヴィスに指示し、これまで製作してきたアイアンマン・スーツを一斉に呼び寄せる「ハウス・パーティー・プロトコル」を発動する。多数のスーツが施設へ飛来し、キリアンの部下たちとの戦闘が始まる。

　ローズは大統領を救出する。一方、トニーは拘束されていたペッパーを捜す。トニーがペッパーに手を伸ばしたとき、施設の一部が崩れ、ペッパーは高所から炎の中へ落下する。

　トニーはキリアンと戦い、マーク42を使って攻撃する。キリアンは倒れるが、エクストリミスの再生能力によって再び立ち上がる。

　ペッパーはエクストリミスを投与されており、落下を生き延びていた。ペッパーはキリアンに攻撃を加え、トニーのスーツから外れた武器を使ってキリアンを倒す。

　事件が解決すると、トニーはジャーヴィスに指示し、残っていたアイアンマン・スーツを一斉に爆破する。ハーレーには後日、トニーから工具などの贈り物が届けられる。昏睡状態だったハッピーも目を覚ます。

　トニーはペッパーの身体に残るエクストリミスの影響を取り除く処置を行う。また、自身の胸に埋め込まれていたミサイルの破片を取り除く手術を受ける。胸に取り付けていたアーク・リアクターも取り外し、海へ投げ捨てる。

　最後にトニーは、自分自身とアイアンマンの関係について語る。エンドロール後、トニーがブルース・バナーに一連の出来事を話していたことが明らかになる。ブルースは話を聞いていたが、途中で眠ってしまっておしまい。

　ロキは、異星人チタウリの使者ジ・アザーと取引を行う。ロキがテッセラクトを手に入れることを条件に、ジ・アザーは地球を侵略するための軍勢を提供する。ロキは杖を受け取り、地球へ向かう。

　S.H.I.E.L.D.の長官ニック・フューリーとエージェントのマリア・ヒルは、研究施設「ペガサス計画」の拠点を訪れる。施設ではエリック・セルヴィグ博士らが、青い立方体テッセラクトの研究を進めていた。テッセラクトが突然エネルギーを放出し、空間にポータルが開く。そこから現れたロキは、杖を使って施設の職員たちを操り、セルヴィグ博士とクリント・バートンを支配下に置く。ロキはテッセラクトを持ち去り、施設は爆発する。

　フューリーは、地球外からの脅威に備えるため、アベンジャーズ計画を再始動させる。エージェントのナターシャ・ロマノフはインドへ向かい、身を隠していた科学者ブルース・バナー博士に協力を求める。バナーはガンマ線の専門家であり、テッセラクトのエネルギーを追跡する役割を依頼される。

　フィル・コールソンはトニー・スタークのもとを訪れ、テッセラクトの調査への協力を求める。フューリーはまた、第二次世界大戦中に超人兵士となり、現代で目覚めたスティーブ・ロジャースにも参加を要請する。ロジャースは依頼を受け、任務に加わる。

　ロキはドイツのシュトゥットガルトに現れ、テッセラクトによるポータルの安定化に必要なイリジウムを入手するため、博物館を襲撃する。式典に出席していた人々を杖で支配しようとしたところへ、キャプテン・アメリカが駆けつける。さらにアイアンマンも現れ、二人はロキと戦う。ナターシャも合流し、ロキを拘束する。

　ロキをS.H.I.E.L.D.の航空母艦ヘリキャリアへ移送する途中、ソーが現れてロキを連れ去ろうとする。ソーはロキに地球侵略をやめさせようとするが、スタークとロジャースが追いかけ、三者が森の中で戦う。やがてソーはロキをヘリキャリアへ連れていき、ロキは専用の牢獄に収容される。

　ヘリキャリアでは、スタークとロジャースがS.H.I.E.L.D.の施設を調査し、テッセラクトのエネルギーを使った兵器開発が進められていることを知る。フューリーは、地球外の脅威に対抗するための計画だと説明する。一方、バナーとスタークはテッセラクトの位置を探る作業を進める。

　ロキの支配下にあるバートンたちはヘリキャリアを襲撃し、エンジンを破壊する。機体が損傷したことでバナーはハルクに変身し、船内で暴れ始める。ソーはハルクを止めようとするが、戦闘の末に機外へ放り出される。スタークとロジャースは損傷したエンジンの再起動を試み、ナターシャはバートンと戦って彼を気絶させ、ロキの支配から解放する。

　ロキは混乱に乗じて牢獄から脱出する。コールソンがロキを止めようとするが、ロキに杖で刺され、致命傷を負う。ロキはソーを牢獄ごと機外へ落とし、ヘリキャリアから逃走する。コールソンは死亡し、フューリーは彼が所持していたキャプテン・アメリカのトレーディングカードを示して、仲間たちに協力を促す。

　スタークとロジャースは、ロキがニューヨークにあるスターク・タワーを侵略計画に利用すると突き止める。スターク・タワーには大規模なエネルギー源となるアーク・リアクターが設置されていた。ロキはセルヴィグ博士に装置を作らせ、テッセラクトのエネルギーを使って宇宙へのポータルを開こうとする。

　ニューヨークでは、ロキがスターク・タワーの屋上で装置を起動する。上空にポータルが開き、チタウリの軍勢が地球へ侵入する。スターク、ロジャース、ソー、ナターシャ、バートンが迎撃を開始し、街の各所でチタウリとの戦闘が始まる。ロジャースは警察官たちに指示を出し、市民の避難と防衛を進める。バートンは高所から敵を狙撃し、スタークは空中から攻撃する。ソーも雷を放ってチタウリを攻撃する。

　ブルース・バナーもニューヨークに到着し、ハルクに変身して戦闘に加わる。ハルクはチタウリの巨大な兵器を破壊し、スタークやソーらとともに敵を食い止める。ハルクはスターク・タワーへ向かい、ロキを捕まえて床に何度も叩きつけ、動けなくする。

　ナターシャはポータルを閉じるため、スターク・タワーの装置へ向かう。ロキの支配から解放されたセルヴィグ博士は、ロキの杖を使えば装置を停止できると説明する。

　そのころ、世界安全保障委員会はニューヨークへの核ミサイル発射を命じる。フューリーは発射を止めようとするが、ミサイルは発射される。スタークは飛来するミサイルを捕らえ、ポータルを通ってチタウリの母艦へ向かう。スタークがミサイルを母艦に命中させると、母艦は爆発し、地球に侵入していたチタウリの軍勢も活動を停止する。

　ミサイルを運んだスタークの装甲は動力を失い、スタークは宇宙から地球へ落下する。ナターシャはロキの杖を使ってポータルを閉じる。地上へ落下するスタークをハルクが受け止め、スタークは生還する。

　戦闘が終わると、ソーは拘束したロキとテッセラクトをアスガルドへ持ち帰る。地球ではニューヨークの被害が報じられ、アベンジャーズの戦いが記録される。フューリーは、地球に再び危機が訪れた際には彼らが戻ってくると述べる。

　エンドクレジットの途中では、ジ・アザーが主人に地球侵略の失敗を報告する。主人はサノスが現れる。

　そして、アベンジャーズのメンバーがニューヨークのシャワルマ店に集まり、食事をしておしまい。

　北極で調査をしていた一行が氷の中から古い航空機を発見する。機体の内部には、星条旗の模様が入った盾を持った人物が凍った状態で残されていた。

　1942年、第二次世界大戦中のノルウェー・トンスベルグ。ヨハン・シュミット率いる部隊が教会を捜索し、壁の奥から青い立方体の物体テッセラクトを発見する。シュミットはテッセラクトを持ち出し、科学者アルニム・ゾラとともに、そのエネルギーを利用した兵器の開発を進める。

　ニューヨークでは、スティーブ・ロジャースがアメリカ陸軍への入隊を何度も申し込んでいる。しかし、身体検査で不合格となり、入隊を認められない。親友のジェームズ・ブキャナン・“バッキー”・バーンズは軍に入隊しており、スティーブと一緒にスターク・エキスポを訪れる。スティーブは会場を抜けて再び入隊手続きをしようとするが、その場にいたアブラハム・アースキン博士から声をかけられる。アースキンはスティーブに戦争へ行こうとする理由を尋ね、秘密裏に進めている計画への参加を持ちかける。

　スティーブは戦略予備軍の訓練施設へ送られ、フィリップス大佐、ペギー・カーター、アースキン博士のもとで訓練を受ける。ほかの兵士たちより身体能力が低く、訓練でも苦戦するが、ある日フィリップスが兵士たちの前に偽物の手榴弾を投げ込む。大勢の兵士たちが逃げる中、スティーブは実物だと判断して手榴弾の上に身を伏せ、周囲に離れるよう指示する。この出来事を受け、アースキンはスティーブをスーパーソルジャー計画の実験対象にする。

　実験当日、ブルックリンの秘密施設でスティーブにスーパーソルジャー血清が注入され、ヴィータ・レイが照射される。実験が終わると、スティーブの身体は大きく変化し、筋肉質な身体になる。しかし、実験を見ていたハインツ・クルーガーがアースキンを銃撃する。クルーガーは血清の最後の瓶を持って逃走し、スティーブとペギーが追跡する。クルーガーは車で逃げた後、潜水艇へ乗り込むが、スティーブが追いつく。血清の瓶は破損し、クルーガーは口の中に仕込んでいた青酸カプセルを使って死亡する。アースキンが死亡したため、同じ処置を再現するための研究は進められなくなる。

　軍はスティーブを「キャプテン・アメリカ」として宣伝活動に利用する。星条旗を模した衣装を着たスティーブは舞台に立ち、戦時国債の販売を行う。各地を回った後、イタリアで兵士たちの前に立ったスティーブは、第107連隊がヒドラとの戦闘で捕らえられたことを知る。捕虜の中にはバッキーも含まれていた。

　スティーブはフィリップス大佐に救出作戦を求めるが許可されない。そこでペギーとハワード・スタークの協力を得て敵地へ向かい、ヒドラの施設へ単独で侵入する。施設内で捕らえられていた兵士たちを解放し、その中からバッキーを発見する。さらに、ヒドラがテッセラクトのエネルギーを利用した兵器を開発していることを確認する。

　施設から脱出する途中、スティーブはシュミットと遭遇する。シュミットが顔を覆っていたマスクを外すと、赤い頭蓋骨のような顔が現れる。シュミットはアースキンの血清を自分も使用したことを明かし、その後ゾラとともに施設から逃走する。スティーブは施設に残された地図を持ち帰る。

　帰還したスティーブたちは、ヒドラの施設を攻撃する部隊として活動するようになる。バッキー、ダム・ダム・デューガン、ゲイブ・ジョーンズ、ジム・モリタ、モンゴメリー・ファルスワース、ジャック・デルニエらがスティーブとともに行動する。ハワード・スタークはスティーブに円形の盾を渡す。盾にはヴィブラニウムが使われている。

　スティーブたちはヒドラの施設を次々と襲撃し、兵器や研究施設を破壊していく。ヒドラの列車を追跡した作戦では、列車内で兵士たちと戦い、ゾラを捕らえることに成功する。しかし戦闘中、バッキーが列車から外へ落下する。ゾラへの尋問によって、ヒドラの最後の基地の場所が判明する。

　スティーブたちはヒドラの基地を攻撃する。施設内部へ入ったスティーブはシュミットに捕らえられ、テッセラクトを使った兵器の前へ連れていかれる。その直後、スティーブの部隊が基地へ侵入し、ヒドラの兵士たちとの戦闘が始まる。シュミットは大型航空機ヴァルキリーへ乗り込み、テッセラクトを利用した兵器を搭載して飛び立つ。スティーブはヴァルキリーへ乗り移る。

　機内でスティーブとシュミットが戦い、テッセラクトを収めた装置が壊れる。シュミットがテッセラクトを直接つかむと強い光が発生し、シュミットの身体が光の中へ消える。テッセラクトは機内へ落下し、床を焼きながら機体の外へ落ちていく。

　スティーブは操縦席へ移動し、機体に搭載された兵器の行き先を確認する。アメリカの都市名が記された爆弾が積まれていることを確認し、スティーブはヴァルキリーを北極海へ向ける。

　スティーブは無線でペギー・カーターと話す。以前ペギーと話していたダンスについて触れ、次に会う約束をする。その後、スティーブはヴァルキリーを北極海へ墜落させる。機体は氷の海へ落下し、スティーブの姿は見つからない。ハワード・スタークは海中からテッセラクトを回収するが、スティーブが乗っていた機体は発見されない。

　戦争が終わった後、スティーブは死亡したものとして扱われる。ペギーはスティーブの記録を受け取り、彼が行った任務の記録を確認する。

　時代は現代へ移る。スティーブは病室で目を覚ます。部屋の中にあるラジオから野球中継が流れているが、放送内容を聞いたスティーブは周囲の状況を確認するため外へ出る。そこには現代の建物や人々があり、スティーブはタイムズスクエアへ出る。そこへニック・フューリーが現れ、スティーブが約70年間眠っていたことを伝える。スティーブは現代の街を見渡し、最後に「デートに遅れた」と話しておしまい。

　1997年、総合格闘家のマーク・ケアーは、ブラジルのサンパウロで試合に出場する。レスリングを基盤とするケアーは、対戦相手を倒して勝利を重ね、アメリカの総合格闘技団体UFCでも活躍する。連続して勝利を収めたケアーは、日本の総合格闘技団体PRIDEにも参戦するようになる。

　1999年9月、ケアーはPRIDE.7でイゴール・ボブチャンチンと対戦する。試合中、反則とされた膝蹴りが問題となり、試合はノーコンテストと判定される。ケアーは試合を終えて帰国し、同棲する恋人のドーン・ステイプルズとの生活に戻る。試合で負った痛みに対処するため鎮痛剤を使用していたケアーは、薬の過剰摂取によって病院へ搬送される。治療を受けた後、薬物依存からの回復を目指してリハビリに取り組む。

　競技への復帰を目指すケアーは、総合格闘家のバス・ルッテンとトレーニングを始める。ルッテンの指導を受けながら身体を鍛え、試合に向けた練習を重ねていく。一方、ドーンとの生活では口論が起こり、2人の関係は不安定になる。ケアーは競技への復帰を目指して練習を続けるが、私生活でもドーンとの関係に向き合うことになる。

　ケアーは2000年のPRIDEグランプリに出場するため、トレーニングを重ねる。ドーンとの関係を修復していくなかで、ドーンは以前の口論で壊した器を修理し、ケアーに渡す。ケアーはルッテンのもとで練習を続けていたが、ドーンと暮らすために彼のもとを離れる。

　その後、ケアーとドーンは、日本での試合にドーンが同行するかどうかをめぐって口論する。言い争いの最中、ドーンはケアーの銃を手に取り、自殺を図ろうとする。ケアーはドーンを止め、助けを求める。

　ケアーは日本へ渡り、PRIDEグランプリ2000の試合に臨む。初戦でエンセン井上と対戦して勝利し、次のラウンドへ進む。しかし、続く藤田和之との試合では敗北し、大会から姿を消す。マーク・コールマンは勝ち進み、決勝でイゴール・ボブチャンチンを破ってグランプリ優勝を果たす。試合後、ケアーは控室へ戻り、医師の処置を受ける。その後、シャワー室に座り、笑い続ける。

　2025年のアリゾナ州スコッツデールに暮らすマーク・ケアーの姿が映し出される。ケアーはスーパーマーケットで買い物を済ませ、店を出ると車に乗り込む。

　最後に表示される説明によると、ケアーとドーンは大会での敗北後に関係を修復して結婚し、息子をもうけた。2人は6年間の結婚生活を送った後、離婚した。また、ケアーは2009年に現役を引退した。とテロップあっておしまい。

　ニューメキシコ州で天文物理学者ジェーン・フォスター、エリック・セルヴィグ、ダーシー・ルイスが車で移動している。3人は特殊な気象現象を観測している途中、砂漠に突然現れた男を車ではねてしまう。男はソーと名乗り、自分はアスガルドの王オーディンの息子だと話す。ジェーンたちはソーを病院へ運ぶ。

　一方、アスガルドではオーディンが二人の息子ソーとロキを育てている。オーディンは過去の戦争でフロスト・ジャイアントをヨトゥンヘイムへ退け、彼らが使用していた「古代の冬の棺」をアスガルドへ持ち帰っている。ソーは王位継承者となり、戴冠式の日を迎える。

　戴冠式の最中、アスガルドの武器庫へフロスト・ジャイアントが侵入する。フロスト・ジャイアントは古代の冬の棺が保管されている場所まで入り込むが、守護兵器デストロイヤーによって阻止される。侵入者が倒されたことを知ったソーはヨトゥンヘイムへの攻撃を主張する。オーディンは戦争を避けるためソーを止めるが、ソーはロキ、シフ、ヴォルスタッグ、ファンドラル、ホーガンとともにヨトゥンヘイムへ向かう。

　ビフレストを使ってヨトゥンヘイムへ到着した一行は、フロスト・ジャイアントの王ラウフェイと対面する。ソーがアスガルドへの侵入について問いただすと、ラウフェイは自分たちから攻撃したわけではないと答える。ソーはフロスト・ジャイアントの一人を攻撃し、両者の戦闘が始まる。

　戦闘中、フロスト・ジャイアントがロキの腕をつかむ。その瞬間、ロキの肌が青色に変化する。ソーたちが多数のフロスト・ジャイアントと戦っているところへ巨大なフロスト・ジャイアントが現れる。そこへオーディンがビフレストを使ってヨトゥンヘイムへ到着し、ソーたちをアスガルドへ連れ戻す。

　アスガルドへ戻ると、オーディンはソーからムジョルニアを取り上げる。さらにソーの力を奪い、アスガルドから追放する。ムジョルニアは地球へ送られ、オーディンによって資格のある者だけが持ち上げられるようにされる。ソーはビフレストを通って地球へ送られる。

　ニューメキシコ州の砂漠へ落下したソーはジェーンたちに発見される。ソーは自分がアスガルドから来たことや、ムジョルニアを探していることを話す。ジェーンたちはソーの話を研究対象として調べる。

　落下したハンマーは地面にできたクレーターの中心に埋まっており、周囲には人々が集まっている。そこへS.H.I.E.L.D.が現場を封鎖し、エージェントのフィル・コールソンが調査を始める。ソーは ジョルニアの情報を知って、 S.H.I.E.L.D. の警備を突破して、ムジョルニアを持ち上げようとするものの動かすことができず、S.H.I.E.L.D.に拘束される。

　アスガルドでは 、ロキは武器庫へ向かい、自分の肌が青く変化した理由を調べる。オーディンに問いただした結果、ロキがアスガルド人ではなく、ラウフェイの息子として生まれたことが明らかになる。オーディンは幼いロキをヨトゥンヘイムから連れてきて、自分の息子として育てていたことが明らかになる。その後、オーディンは倒れ、「オーディン・スリープ」と呼ばれる眠りに入り、ロキが王座を代行する。

　地球ではコールソンがソーを尋問する。ソーは自分がアスガルドの王子であることや、オーディンによって力を奪われたことを話す。ロキも地球へ現れ、ソーにオーディンが死んだと伝える。エリック・セルヴィグがコールソンに話をしてソーを引き取る。

　ソーはセルヴィグと酒を飲み、自分の生まれた場所やアスガルドについて話す。ジェーンはソーが話した内容と、自分たちが観測している現象を調べる。

　アスガルドではロキがヘイムダルをビフレストの門番から外し、ビフレストへ近づけない状態にする。その後、ロキはヨトゥンヘイムのラウフェイと接触する。ロキはフロスト・ジャイアントをアスガルドへ入れる計画を伝え、ラウフェイがオーディンを殺して古代の冬の棺を取り戻す機会を与える。

　シフ、ヴォルスタッグ、ファンドラル、ホーガンはロキの行動を疑い、地球へ向かってソーを連れ戻す。ヘイムダルはロキの命令に反してビフレストを開き、シフたちを地球へ送る。ロキはデストロイヤーを地球へ送る。

　ニューメキシコ州ではシフたちがソーと合流する。そこへデストロイヤーが現れ、周囲を攻撃する。ソーはデストロイヤーの前に立ち自らの命と引き換えに皆を助けるように話す。デストロイヤーの攻撃を受けたソーは地面へ倒れる。

　その直後、クレーターに置かれていたムジョルニアが動き出し、ソーのもとへ飛んでくる。ソーがムジョルニアを手にすると力を取り戻し、アーマーとマントも現れる。ソーは雷を発生させ、ムジョルニアを使ってデストロイヤーを攻撃する。デストロイヤーを破壊した後、ソーはジェーンたちと別れてアスガルドへ戻る。

　アスガルドではラウフェイ率いるフロスト・ジャイアントが侵入し、オーディンの眠る部屋へ向かう。ラウフェイがオーディンを殺そうとしたところへロキが現れ、ラウフェイを攻撃して殺す。

　その後、ヘイムダルが拘束を突破して、ビフレストを使い、ソーをアスガルドへ戻す。ソーはロキのもとへ向かい、ロキがフロスト・ジャイアントをアスガルドへ入れていたことを知る。

　ロキはビフレストを使い、ヨトゥンヘイムへ向けてエネルギーを放つ。ビフレストのエネルギーによってヨトゥンヘイムの氷の大地が破壊されていく。ソーはロキを止めるためにビフレストへ向かい、ロキと戦う。

　ソーはムジョルニアを使ってビフレストの装置を破壊する。ビフレストが崩れ始め、ソーとロキは宇宙空間へ投げ出される。オーディンがソーを支え、ソーはロキを引き上げようとする。しかしロキはソーの手から離れ、崩壊したビフレストとともに落下する。

　アスガルドへ戻ったソーはオーディンと対面する。ヘイムダルはアスガルドから地球を見渡し、ジェーンがソーを探していることをソーへ伝える。

　エンドクレジット後、S.H.I.E.L.D.の施設でニック・フューリーがエリック・セルヴィグに謎の立方体を見せる。フューリーはセルヴィグにその物体の研究を依頼する。セルヴィグが依頼を受けると、背後の鏡にロキの姿が現れておしまい。

　大学卒業を間近に控えたサラ、マックス、ジェームズ、グレッグ、エイドリアンの5人は、それぞれが別々の道へ進む前に、最後の思い出を作ろうとタイを訪れる。

　タイでの旅行中、5人はボートを借りて海へ出る。ところが、サラが海で潜っていると、海上に取り残され、サラは大量のクラゲに囲まれてしまう。サラはクラゲに刺されて負傷するものの、仲間たちは引き返して彼女を助ける。この出来事をきっかけに、サラとマックスの間には一時的に険悪な空気が流れる。マックスは自分の判断でサラを危険な状況に置いてしまったことに向き合いきれず、サラもまた、いつもマックスの決断に付き合うことへの不満を抱えていた。

　5人が訪れるのは、現地で「デビルズ・マウス」と呼ばれる洞窟群だった。現地ガイドのワットが5人を案内する。ワットは洞窟内に複数のルートがあることを説明し、比較的安全なグリーン・ルートを予定していた。しかし、マックスはより冒険的なレッド・ルートへ進みたいと主張する。

　レッド・ルートは通常でも難易度が高いうえ、直前に発生したモンスーンによって洞窟内の水位が上昇していた。ワットは危険性を説明して予定を変更することに慎重だったが、マックスは強く希望し、最終的に5人はレッド・ルートへ入っていく。

　洞窟内では、サラが救急用品を用意していたほか、地図も持っていた。サラは慎重に準備しており、危険があれば引き返すことも考えていた。一方、マックスは冒険を楽しもうとし、多少の危険があっても先へ進もうとする。

　5人が洞窟の奥へ進む途中、サラは別のダイバーであるライアンと知り合う。ライアンは洞窟内を潜っており、サラと言葉を交わしていた。しかし、5人がさらに進んだところで、洞窟内の水域には大量の死んだ海洋生物が流れ込んでいた。ワットは、最近の嵐によって海水が洞窟へ流れ込み、海の生物まで一緒に運ばれてきたのだと考える。さらに水中には巨大なサメの存在を示す痕跡が現れる。

　その正体はオオメジロザメだった。オオメジロザメは海水だけでなく淡水にも適応できるため、嵐によって海と洞窟がつながったことで、洞窟内へ入り込んでいた。ジェームズもオオメジロザメが淡水と海水の両方で生きられることを説明する。

　やがてサラたちは、水中に大量の血液が漂っていることに気づく。先ほどまで洞窟内にいたライアンの姿が見えなくなっており、さらにライアンのダイビング装備が水面へ浮かんでくる。その装備にはサメに噛まれた痕跡があり、ライアンが巨大なオオメジロザメに襲われたことが分かる。

　5人はようやく、自分たちが巨大なサメのいる洞窟に閉じ込められていることを理解する。ワットはただちに引き返そうとするが、ここで5人の意見が分かれる。サラは自分が持っている地図を使い、サメが洞窟へ入ってきた場所でもある海側の開口部から出るルートを提案する。しかしマックスは別のルートを選ぼうとする。

　ワットもグループを安全な場所へ戻そうとするが、5人の間で言い争いが起きる。やがてワットはグループから離れて一人で脱出しようとする。しかし、その後、ワットもサメに襲われる。

　残されたサラ、マックス、ジェームズ、グレッグ、エイドリアンは、自分たちだけで洞窟から脱出しなければならなくなる。

　さらに、洞窟内には十分な空気がない場所も多い。5人は水面上にできた空気溜まりを利用して呼吸しながら移動する。しかし、長く水中にいれば酸素を消費し、サメのいる場所を通過しなければならないため、どのルートを選んでも危険が伴う。

　その途中でエイドリアンが岩に足をぶつけて負傷する。サラは持ってきた救急用品を使って彼女の傷を処置する。

　5人は洞窟内を移動し続けるが、巨大なサメは何度も姿を現す。サメは暗い水中を泳ぎ回り、5人を執拗に追跡する。そしてついにグレッグがサメの犠牲になる。

　サラは安全なルートを探そうとするが、マックスは自分の考えを優先する。マックスはこれまでと同じように自分がグループを導こうとする。

　その後、エイドリアンもサメに襲われる。仲間たちは彼女を助けようとするが、サメの攻撃を止めることはできない。エイドリアンはサラたちの目の前で命を落とす。

　3人は狭い水中トンネルを進んでいく。そこは巨大なサメが通るには狭い場所だったため、3人はそこへ逃げ込む。しかし、ジェームズの身体が岩の間に挟まってしまう。

　サラとマックスはジェームズを助けようとする。ジェームズを岩から引き抜こうとするものの、狭い岩場に身体が固定されているため簡単には動かせない。しかも3人が呼吸するためには、途中にある空気溜まりを利用する必要がある。

　サラとマックスはジェームズにも酸素を分けようとするが、ジェームズ自身もその状況を理解し、自分を助けようとする2人に先へ進むよう促す。最終的にジェームズは岩の隙間から抜け出せないまま、水中で酸素を失って死亡する。

　2人は洞窟内の別の出口を発見する。それは海側へ開いた高い場所にある開口部だった。サラはそこから外へ出ることを考える。しかし、そこから海へ飛び込むことにも危険があり、海中にはサメがいる可能性もある。

　サラは出口へ向かうために岩場を登る。マックスは負傷しているため、サラの後を追うのも簡単ではない。サラはロープを使ってマックスと自分をつなぎ、2人で出口へ向かおうとする。しかし、マックスは自分だけが洞窟に残されることを恐れ、サラについて行こうとする。

　2人が岩場を移動していると、マックスの負傷した手から血が流れる。血の匂いと動きに反応して、巨大なオオメジロザメが再び姿を現す。

　サメはマックスに襲いかかる。マックスは水中へ引きずり込まれ、サラもロープでつながっているため、サメに引っ張られてしまう。サラは親友を助けようとするが、マックスを救うことはできない。マックスはサメに襲われて死亡する。サラはロープでマックスの身体とつながったまま、洞窟のさらに奥へ引きずられてしまう。最終的にサラはロープを切り、自分自身だけで脱出する道を探すことになる。

　サラは、岩盤が不安定になっている場所があることに気づく。その場所を利用してサメを誘い込む。自分自身をサメの餌として見せ、サメが突進してくるタイミングを利用して岩場を崩す作戦を立てる。

　サラは岩場の上に身を置き、巨大なサメが自分へ向かって突進してくるのを待つ。サメが襲いかかる直前にサラが身をかわすと、サメはその勢いのまま岩壁へ衝突する。サラは同じ方法を繰り返す。サメが何度も岩へ衝突したことで、洞窟の岩盤が崩れ始める。そして最後の突進によって岩場が大きく崩落し、サメは崩れた岩の下敷きになる。

　サラ自身も崩落に巻き込まれ、水中へ落下する。頭を岩に打ちつけるものの、水の流れに押し流されたサラは、洞窟の別の場所へ運ばれていく。そして洞窟から陸地へつながっている出口を発見しておしまい。

　2008年、スコットランドで「リーパー・ウイルス」と呼ばれる感染症が発生する。感染者は次々と増加し、政府は感染拡大を食い止めるため、スコットランドをイギリスのほかの地域から隔離することを決定する。政府はスコットランドとの境界に高さ約9メートルの壁を建設し、住民の避難が間に合わなかった地域を封鎖する。

　封鎖が始まる直前、幼いエデン・シンクレアは母親とともに軍のヘリコプターで避難しようとする。しかし、母親はヘリコプターに乗ることができず、エデンだけが兵士に連れられてスコットランドを脱出する。エデンは母親と引き離され、その後、右目を失う。

　2035年、ロンドンでリーパー・ウイルスの感染者が確認される。政府は感染拡大を防ぐための緊急会議を開き、首相ジョン・ハッチャーや側近のマイケル・カナリスらが対策を検討する。政府はスコットランドを監視していた軍事衛星の映像を調べ、封鎖された地域のグラスゴーに人々が暮らしていることを確認する。

　政府は、スコットランドに生存者がいることから、ウイルスへの免疫を持つ人間や治療法が存在する可能性を考える。そこで、感染症研究者のマーカス・ケイン博士を捜し出すため、調査部隊をスコットランドへ派遣することを決める。

　部隊の指揮官に選ばれたのは、国内治安部門に所属するエデン・シンクレア少佐だった。エデンは義眼を装着しており、その義眼には映像を撮影する機能が備わっている。上官のビル・ネルソンはエデンに任務を説明し、部隊を編成する。副官のノートン軍曹、ウイルス学者のスターリング博士とタルボット博士らが加わり、一行はスコットランドへ向かう。

　調査隊は封鎖壁を越えてグラスゴーに入り、ケイン博士の手掛かりを求めて病院へ向かう。かつて感染症の研究が行われていた病院の内部を調べるが、そこには多数の遺体や破壊された医療設備が残されていた。調査を進めていた隊員たちは、武装した集団の襲撃を受ける。

　襲撃してきたのは、ソルが率いる略奪者たちだった。調査隊は応戦するが、隊員の多くが命を落とす。ノートンとスターリングは逃げ延びる一方、エデンとタルボットは捕らえられる。

　ソルの集団は、グラスゴーを拠点に略奪や殺人を繰り返していた。彼らは捕らえた人間を食料にしており、ソルはエデンを利用して封鎖壁の外へ進出しようと考える。捕虜となったタルボットは集団の前に引き出され、殺されて食べられてしまう。

　エデンは、同じく捕らえられていたキャリーという女性と知り合う。キャリーはケイン博士の娘で、ソルの妹でもあった。キャリーは、かつて父親のケインがスコットランドで権力を握っていたこと、ソルが父親の支配に反旗を翻して勢力を築いたことをエデンに話す。

　エデンはキャリーの協力を得て監禁場所から脱出する。脱走の途中でソルの側近であるヴァイパーと戦い、彼女を倒す。その後、エデンはノートンとスターリングに合流し、キャリーとともにソルの集団から逃げ出す。一行は列車に乗り込み、ケイン博士のいる場所を目指す。

　一方、ロンドンでは感染が拡大していた。政府は首相ハッチャーを避難させようとするが、その過程でハッチャーもウイルスに感染する。カナリスはハッチャーを隔離し、政府の主導権を握る。感染によって命を落とすことを避けるため、ハッチャーは自ら命を絶つ。

　スコットランドでは、列車を降りたエデンたちが、古い武器や甲冑を身につけた兵士たちに捕らえられる。彼らは城へ連行され、ケイン博士と対面する。ケインは城を拠点に兵士たちを従え、周辺地域を支配していた。

　ケインはエデンたちに、リーパー・ウイルスの治療薬は存在しないと告げる。スコットランドで生き残った人々は、ウイルスに対する免疫を持っているのだという。政府が求めていたのは治療薬ではなく、免疫を持つ人間だった。

　ケインは、かつてスコットランドを封鎖したイギリス政府に協力するつもりはなかった。彼はエデンたちを捕虜として扱い、処刑することを決める。キャリーに対しても、父親の支配する土地に外部の人間を連れてきたことを理由に罰を与える。

　エデンには、城の処刑人テラモンとの決闘が命じられる。エデンはテラモンと戦い、彼を倒す。その間にノートンとスターリングも城からの脱出を図る。城内では爆発が起こり、エデンたちは混乱に乗じて逃げ出す。

　一行は城を離れ、森の中にある地下施設へ向かう。施設には車両や装備が保管されており、エデンたちはそこに置かれていたベントレーを使って脱出しようとする。しかし、ケインの兵士たちが追いつき、ノートンは殺されてしまう。エデン、キャリー、スターリングはベントレーに乗り込み、施設を後にする。

　その後、ソルとその仲間たちが車で追跡してくる。エデンたちは道路上で追っ手と激しいカーチェイスを繰り広げる。ソルはベントレーに乗り込もうとするが、エデンは車を道路を塞いでいたバスに突っ込ませる。車の屋根にいたソルはバスに衝突し、首を切断されて死亡する。追跡していた仲間たちも多数が命を落とす。

　エデンは政府側に連絡を取り、ウイルスへの免疫を持つ生存者を発見したと伝える。カナリスはヘリコプターでスコットランドに到着する。エデンはキャリーが免疫を持っていることを説明し、スターリング博士がキャリーの血液を調べれば、ワクチンを製造できる可能性があると伝える。カナリスはキャリーとスターリングをロンドンへ連れて帰ることにする。

　しかし、カナリスはエデンに、自分がワクチンをすぐに普及させるつもりはないことを明かす。感染を利用して貧困層を排除し、感染が十分に広がった段階で治療法を公表すれば、自分が国を救った指導者として権力を握れると考えていた。エデンは義眼の録画機能を使い、カナリスとの会話を記録する。

　カナリスはキャリーとスターリングを連れてロンドンへ戻る。エデンは同行せず、母親を捜すためスコットランドに残る。母親がかつてエデンに渡していた住所の書かれた封筒を手掛かりに、彼女の家を訪ねる。そこでエデンは、母親が隔離期間中に亡くなっていたことを知る。

　その後、ネルソンがスコットランドに到着し、エデンと再会する。エデンはカナリスとの会話を録画した映像をネルソンに渡す。ネルソンはその映像をロンドンへ持ち帰り、カナリスの計画を公表する。テレビで映像が流れ、カナリスが感染を利用して国民を排除しようとしていたことが明らかになる。

　エデンはイギリスへ戻らず、スコットランドに残る。彼女はソルの集団がいる場所へ戻り、ソルの切断された頭を彼らの前に投げる。ソルを倒したエデンを見た略奪者たちは、彼女を新たなリーダーとして迎えておしまい。

　トニー・スタークが自分はアイアンマンだと公表してから6カ月が経過し、スターク・インダストリーズでは再びスターク・エキスポが開催される。トニーは父ハワード・スタークが1974年に開催したスターク・エキスポの映像を公開し、ロボットや新しいエネルギー技術を紹介する。一方、ロシアではアントン・ヴァンコが死亡し、息子のイワン・ヴァンコが父親の残した資料を調べている。資料にはハワード・スタークとアントン・ヴァンコが関わったアーク・リアクターの設計があり、イワンはその設計を使って小型アーク・リアクターを作り、両腕に電気を放つムチを取り付ける。

　トニーはアイアンマンのアーマーを使い続けているが、胸に埋め込んだアーク・リアクターに使われているパラジウムによって体内の毒素が増えている。J.A.R.V.I.S.に代替できる元素を探させるものの、すぐに使えるものは見つからない。トニーはペッパー・ポッツをスターク・インダストリーズのCEOに任命し、自身はアイアンマンとしての活動を続ける。

　アメリカ上院では、スターク・インダストリーズの軍事技術について公聴会が開かれる。スターン議員はトニーにアイアンマンのアーマーを政府へ引き渡すよう求めるが、トニーは拒否する。軍事企業ハマー・インダストリーズを率いるジャスティン・ハマーも公聴会に出席し、スターク・インダストリーズに対抗する。

　トニーはペッパーとともにモナコへ向かい、モナコ・グランプリに参加する。レース中、イワンがコースに入り、アーク・リアクターを動力源にした電気ムチでトニーの車を攻撃する。車は切断され、トニーはコース上へ投げ出される。ハッピー・ホーガンとペッパーがアイアンマンのアーマーを運び、トニーはケース型のアーマーを装着する。電気ムチを使うイワンと戦い、アーマーの機能を使ってイワンの武器を破壊する。

　イワンは逮捕されて刑務所へ送られる。トニーがイワンの身元を調べると、父親のアントン・ヴァンコがハワード・スタークとともにアーク・リアクターの研究をしていたことが判明する。ニック・フューリーからも、ハワードとアントンが過去にアーク・リアクターの研究をしていたことを聞かされる。

　ジャスティン・ハマーは刑務所にいるイワンを訪ね、刑務所から出して自分の施設へ移す。イワンはハマーのためにアイアンマンのアーマーに対抗する兵器の開発を始める。

　そのころトニーは自宅で誕生日パーティーを開く。アイアンマンのアーマーを装着したまま会場内を飛び回り、騒ぎを起こしたことで、ジェームズ・ローズがトニーを止めようとする。ローズは以前トニーが使用していたマーク2のアーマーを装着し、二人はアーマーを装着したまま戦う。ローズはマーク2を持って軍へ向かい、ハマー・インダストリーズで武器を追加することになる。

　S.H.I.E.L.D.のニック・フューリーがトニーの前に現れ、秘書として働いていたナタリー・ラッシュマンがS.H.I.E.L.D.のエージェント、ナターシャ・ロマノフであることを明かす。フューリーはハワード・スタークが残した資料をトニーに渡す。その中には1974年のスターク・エキスポのジオラマがあり、トニーはそこに隠された情報を発見する。J.A.R.V.I.S.で解析すると、新しい元素の構造を示すデータが組み込まれていることが判明する。

　トニーは父親の資料をもとに新しい元素を作り出し、その元素をアーク・リアクターに使用する。新しいリアクターが完成すると、それまで使用していたパラジウムのリアクターから交換する。

　ハマー・インダストリーズでは、イワンが遠隔操作できる無人アーマーを完成させる。ハマーはスターク・エキスポで兵器を公開するため、ローズのマーク2にも武器を追加し、「ウォーマシン」として登場させる。

　スターク・エキスポが始まり、ハマーが無人アーマーとウォーマシンを公開する。トニーも会場に到着し、ローズにハマーとイワンが関係していることを伝える。その直後、イワンが遠隔操作で無人アーマーを動かし、ローズのウォーマシンも乗っ取る。無人アーマーとウォーマシンがトニーを攻撃し、トニーはアイアンマンのアーマーで応戦する。

　ハマー・インダストリーズではハッピーがイワンを探し、ナターシャも施設内へ侵入する。ナターシャはイワンのコンピューターへアクセスし、ウォーマシンへの操作を解除する。ローズは自分のアーマーを取り戻し、トニーとともに無人アーマーを破壊していく。

　イワンは自分でアーマーを装着し、トニーとローズの前に現れる。二人はイワンと戦い、アーマーへ攻撃を続ける。トニーとローズが同時にリパルサーを撃つと、二つの攻撃がイワンのアーマーに当たる。イワンはアーマーと無人アーマーを自爆させる。トニーは爆発に巻き込まれたペッパーを助け出し、ローズも戦闘を終える。

　事件後、トニーとペッパーはキスをする。S.H.I.E.L.D.ではフューリーがトニーについて報告し、アベンジャーズ・イニシアチブについてトニーに説明する。トニーはアベンジャーズの正式なメンバーではなく、コンサルタントとして扱われることになる。

　その後、トニーとローズには事件での功績をたたえるメダルが授与される。スターン議員が二人にメダルを渡す。

　S.H.I.E.L.D.のエージェントであるフィル・コールソンがニューメキシコ州の砂漠へ到着する。そこには大きなクレーターがあり、その中心に巨大なハンマーが落ちている。コールソンがその場所を確認したところでおしまい。