La película comienza con Anthony "Tony" Stark, un empresario multimillonario y presidente de Stark Industriesvisitando a soldados de guardia en el Medio Oriente. Él bromea con algunos miembros de un convoy que parecen estar divirtiéndose genuinamente por su personalidad. De repente, el convoy es atacado por un grupo de terroristas. Los soldados luchan para defenderse, pero mueren rápidamente uno por uno. Stark trata de pedir ayuda, pero una bomba (irónicamente con el logotipo de su empresa, "Stark Industries") explota demasiado cerca de él, perforando su chaleco blindado e hiriéndolo de gravedad en su pecho. Minutos más tarde Tony es capturado y grabado por un grupo de terroristas.
En el presente, unos científicos en el Ártico descubren los restos de un avión sepultado en el hielo ártico, en donde estos encuentran un objeto circular metálico congelado de color rojo, blanco y azul con una estrella blanca en el centro, en la cabina del avión estrellado.
En marzo de 1942, el oficial nazi Johann Schmidt y sus hombres entran a la ciudad de Tønsberg en una Noruega ocupada por los alemanes nazi, para robar una misteriosa reliquia llamada el Teseracto,b que posee poderes incalculables. Mientras tanto, en Nueva York, Steve Rogers es rechazado por el reclutamiento militar de la Segunda Guerra Mundial debido a varios problemas de salud física.
En el 965 d. C., Odín, rey de Asgard, libra la guerra contra los Gigantes de Hielo de Jotunheim y su líder Laufey, para evitar que conquisten los nueve reinos, comenzando con la Tierra en (Noruega). Los guerreros asgardianos derrotan a los Gigantes de Hielo y se apoderan de la fuente de su poder, el Cofre de los Inviernos Pasados.
En el presente, el hijo de Odín, Thor se prepara para ascender al trono de Asgard, sin embargo y en medio de la ceremonia de coronación es súbitamente interrumpida cuando unos Gigantes de Hielo se infiltran en el palacio de Asgard para intentar recuperar el Cofre de los Inviernos Pasados, pero afortunadamente Odín, con la ayuda del Destructor, logra detenerlos antes de que estos escaparan con el cofre.
Durante la detonación experimental de una bomba gamma, el científico Robert Bruce Banner salva al adolescente Rick Jones, que ha conducido al campo de pruebas; Banner empuja a Jones a una trinchera para salvarlo, pero es golpeado por la explosión, absorbiendo enormes cantidades de radiación gamma. Despierta más tarde, aparentemente ileso, pero esa noche se transforma en una forma gris y pesada. Un soldado perseguidor llama a la criatura "Hulk".
Romanova creció para servir como mujer fatal. Ella fue asignada para ayudar a Boris Turgenov en el asesinato del profesor Anton Vanko por desertar de la Unión Soviética, que sirvió como su primera misión en los Estados Unidos. Natasha y Turgenov se infiltraron en Industrias Stark como parte del plan.6Ella intentó manipular información del contratista de defensa estadounidense Tony Stark, e inevitablemente se enfrentó a su alter ego superhéroe, Iron Man. La pareja luchó contra Iron Man, y Turgenov roba y usa el traje Dínamo Carmesí, Vanko se sacrificó para salvar a Iron Man, matando a Turgenov en el proceso, usando una pistola láser experimental inestable. Romanova luego se encuentra con el arquero criminal Hawkeye y lo pone en contra de Iron Man,y más tarde ayudó a Hawkeye a luchar contra Iron Man.
Clint Barton nació en Waverly, Iowa. A una edad joven perdió a sus padres en un accidente automovilístico. Después de seis años en un orfanato, Clint y su hermano Barney se escaparon para unirse al Carnaval Viajero de Maravillas Carson. Clint pronto llamó la atención del Espadachín, que tomó al niño como su asistente. Junto con la ayuda de Trick Shot, el espadachín entrenador, Clint decide convertirse en un maestro arquero. Clint encontró, más tarde, al espadachín malversando del dinero de la feria. Antes de que pudiera entregar a su mentor a las autoridades, Clint fue golpeado y tomado por muerto, permitiendo que el espadachín escapara de la ciudad. La relación de Clint con su hermano Barney y Trick Shot, pronto se deterioró.5
En 1995, en el planeta Hala, capital del Imperio Kree, la guerrera y miembro de la Fuerza Estelar Vers sufre de pesadillas recurrentes que involucran a una mujer mayor. Yon-Rogg, su mentor y comandante, le advierte mientras entrenan que controle sus habilidades, y a su vez la Inteligencia Suprema, una inteligencia artificial orgánica que actúa como gobernante Kree, la insta a mantener sus emociones bajo control.
Durante una misión para rescatar a un agente Kree encubierto que se infiltra en un grupo de Skrulls forasteros con quienes los Kree han estado luchando durante siglos, Vers es secuestrada por el comandante Skrull Talos y es sujetada a la fuerza en una sonda de memoria. Ella logra escapar y sin darse cuenta pilota una nave a la Tierra estrellándose violentamente contra el techo de un Blockbuster en Los Ángeles.