Setelah dijebak yang direncanakan untuk membunuh mereka, tim antihero yang tidak biasa harus menjalankan misi berbahaya. Misi ini memaksa mereka untuk menghadapi sisi tergelap dari masa lalu masing-masing.
Film dibuka di Malaysia. Yelena Belova menghancurkan sebuah laboratorium. Misi ini bertujuan untuk menyembunyikan keterlibatan Direktur CIA, Valentina Allegra de Fontaine, dengan proyek manusia super “Sentry” dari Grup O.X.E. Seorang ilmuwan di sana mencoba menghentikannya. Ia memperingatkan Yelena tentang bahaya Proyek Sentry. Dalam perkelahian, ilmuwan itu secara tidak sengaja menembak wajahnya sendiri hingga tewas.
Di Washington D.C., Bucky Barnes kini menjadi seorang anggota kongres. Ia menjadi bagian dari persidangan untuk memakzulkan Valentina atas operasi rahasianya. Valentina membela tindakannya. Ia mengingatkan pengadilan tentang insiden Red Hulk dan menyatakan dunia membutuhkan pelindung baru karena Avengers sudah tiada.
Yelena kemudian mengunjungi “ayahnya”, Alexei Shostakov. Ia mengungkapkan rasa lelahnya terhadap dunia spionase. Ia juga masih merasakan kesedihan atas kematian Natasha. Setelah berbicara dengan Alexei, Yelena menerima tugas berikutnya dari Valentina.
Valentina menugaskan Yelena untuk pergi ke penjara The Vault. Targetnya adalah Ava Starr/Ghost. Namun, saat Yelena tiba, ia diserang oleh John Walker/U.S. Agent. Mereka kemudian diserang oleh Antonia Dreykov/Taskmaster. Dalam pertarungan empat arah, Ava muncul kembali dan menembak mati Taskmaster.
Mereka bertiga, Yelena, Walker, dan Ava bertemu dengan seorang warga sipil misterius, Robert “Bob” Reynolds. Mereka akhirnya menyadari bahwa Valentina telah menjebak mereka untuk saling bunuh. Ini adalah cara Valentina untuk menghilangkan para pembunuh bayaran sekaligus menghancurkan semua bukti keterlibatannya. Saat Ava mencoba menembus pintu dengan kekuatannya, sebuah mesin supersonik mengganggu kemampuannya. Walker menghancurkan sumber daya mesin itu. Ava berhasil membuka pintu, dan mereka melarikan diri tepat sebelum ruangan itu terbakar.
Saat melarikan diri, Yelena tidak sengaja menyentuh tangan Bob. Ia seketika melihat memori traumatis masa kecilnya di Red Room. Walker juga menyentuh tangan Bob dan melihat memori memalukan saat ia bertengkar dengan istrinya. Mereka menyadari Bob memiliki kemampuan aneh untuk memproyeksikan kenangan.
Bucky mendekati asisten Valentina, Mel, dan memberinya info kontak. Ia berharap Mel mau bekerja untuk orang yang lebih jujur. Mel kemudian menelepon Bucky dan setuju untuk menjadi informan, menyuruh Bucky untuk melacak teleponnya.
Valentina mengirim tim tentara bayaran ke The Vault. Ia memerintahkan mereka untuk membunuh Yelena, Walker, dan Ava, tetapi tidak melukai Bob. Demi menyelamatkan yang lain, Bob menarik perhatian para tentara bayaran. Mereka menembakinya, tetapi peluru tidak melukainya sama sekali. Bob kemudian terbang tinggi ke langit sebelum pingsan dan jatuh kembali, di mana ia ditangkap oleh Valentina.
Yelena, Walker, dan Ava yang berhasil kabur, diselamatkan oleh Alexei. Ia menyamar sebagai sopir limo Valentina untuk mencari Yelena. Setelah kejar-kejaran mobil yang sengit, Bucky ikut campur. Ia menggunakan granat untuk menghancurkan mobil musuh, lalu membalikkan limo mereka dengan rantai dan menangkap mereka semua.
Di tempat lain, Valentina memanipulasi Bob yang kondisi mentalnya tidak stabil. Ia menyentuh tangan Bob dan melihat memori masa kecilnya sendiri yang traumatis. Ia meyakinkan Bob bahwa sebagai “Sentry,” ia memiliki kekuatan setara dewa. Bob berjanji akan mengendalikan kekuatannya.
Mel memperingatkan Bucky tentang rencana Valentina untuk Sentry. Bucky pun memimpin tim yang baru terbentuk—yang secara sarkastis menamai diri mereka “Thunderbolts”—untuk menghentikan Valentina di Watchtower (bekas menara Avengers).
Mereka berhadapan dengan Sentry yang kini mengenakan kostum baru. Kekuatan Sentry jauh di atas mereka. Semua serangan mereka tidak berguna. Ia dengan mudah mengalahkan seluruh tim dan bahkan mencabut lengan vibranium Bucky. Saat Sentry mulai berbalik melawan Valentina dan mencoba mencekiknya, Mel tiba dan menggunakan tombol pembunih (killswitch) untuk melumpuhkannya. Saat Valentina dan Mel pergi, tubuh Bob diselimuti oleh kegelapan dan berubah menjadi entitas mengerikan: The Void.
The Void menyelimuti seluruh New York dalam kegelapan total. Ia mengubah warga sipil menjadi bayangan. Tim bersatu kembali untuk menyelamatkan warga. Alexei memberikan pidato motivasi kepada Yelena yang sedang putus asa, mengingatkannya betapa hebat dirinya.
Yelena memutuskan untuk masuk ke dalam The Void sendirian. Di dalam lanskap pikiran Sentry, ia menemukan Bob, yang sedang terjebak dalam memori traumatisnya sendiri: disiksa oleh ayahnya dan disalahkan oleh ibunya. Yelena mencoba menenangkannya. Sisa anggota tim yang lain ikut masuk ke dalam The Void. Mereka semua bersama-sama memeluk Bob, memberinya dukungan emosional yang tidak pernah ia dapatkan. Tindakan ini berhasil menenangkannya dan menariknya keluar dari The Void, mengembalikan kota ke keadaan normal.
Setelah krisis berakhir, Bob tidak memiliki ingatan tentang apa yang terjadi. Saat tim bersiap untuk menangkap Valentina, ia dengan cerdik mengadakan konferensi pers. Ia memutarbalikkan fakta dan mengumumkan bahwa pembentukan tim ini adalah rencananya sejak awal. Ia memperkenalkan mereka kepada dunia sebagai tim pahlawan super baru: The New Avengers. Di tengah sorak-sorai penonton, Yelena berbisik kepada Valentina, mengingatkannya bahwa kini Valentina-lah yang berada di bawah kendali mereka.
Mid-Credits Scene: Alexei pergi ke supermarket. Ia dengan bangga menemukan sereal Wheaties yang menampilkan The New Avengers di kotaknya. Ia tidak berhasil meyakinkan seorang wanita di sana untuk mengenali atau membeli sereal itu.
Post-Credits Scene: Empat belas bulan kemudian, The New Avengers mendapatkan reaksi publik yang beragam. Sam Wilson bahkan menuntut mereka karena menggunakan nama “Avengers”. Bob terpaksa harus terus mengendalalikan kekuatannya karena takut The Void akan kembali. Tiba-tiba, tim menerima peringatan tentang sebuah pesawat tak dikenal yang memasuki atmosfer Bumi. Di kamera pengawas, mereka melihat di sisi pesawat itu… ada angka 4 raksasa.
