ick Fury, chef för spionagebyrån S.H.I.E.L.D. anländer till en avlägsen forskningsanläggning som är under evakuering. Hans andreman, Maria Hill berättar att en Tesserakt, en stor energikälla av okänd kapacitet, har aktiverats och öppnat en portal till rymden, från vilket den landsflyktige guden Loki stiger förbi. Loke tar tesserakten och använder sin magi för att hjärnkontrollera flera personaler inom S.H.I.E.L.D., inklusive Agent Clint Barton och forskaren Erik Selvig för att hjälpa honom i han hemliga tillhåll.

Som svar återaktiverar Fury Avengers-projektet, vars mål är att samla världens superhjältar för att bistå S.H.I.E.L.D. i deras kamp mot ondskan. Agent Natasha Romanoff rekryterar Dr. Bruce Banner i Indien, medan Agent Phil Coulson besöker Tony Stark och begär att han ska granska Selvigs forskning. Fury själv besöker Steve Rogers med uppdraget att hämta tesserakten från Loki, som har allierat sig med den främmande rasen Chitauri. I utbyte mot tesserakten beslutar de att hjälpa Loki med att tvinga Jordens befolkning till lydnad.

Iron Man, Captain America och Romanoff reser till den tyska staden Stuttgart för att gripa Loki, där han försöker stjäla iridium som behövs för att stabilisera tesserakten, och samtidigt ville han att människorna där skulle knäböja inför honom. När Loki råkar i strid med hjältarna kapitulerar han och förs till hjältarnas skepp som transporterar honom till Helicarrier – ett flygande hangarfartyg som fungerar som S.H.I.E.L.D:s högkvarter. Men plötsligt anländer åskguden Thor från skyn, befriar Loki och försöker att resonera med honom. Efter en konfrontation med Iron Man och Captain America beslutar Thor att följa med dem.

The Avengers argumenterar kring huruvida de ska handskas med Loki. De får senare också reda på att S.H.I.E.L.D. har planerat att utnyttja tesseraktens makt genom vapenutveckling. Fury medger att händelserna i New Mexico ett år tidigare gjorde att S.H.I.E.L.D blev medvetna om att andra utomjordiska raser kan hota jorden. De vapen som utvecklats från tesserakten skulle därmed användas som ett avskräckningsmedel. Medan gruppen bråkar blir Helicarrier angripet av Lokis underhuggare, med agent Barton i spetsen, och saboterar dess motorer. Iron Man och Captain America försöker starta om de skadade motorer. Undertiden förvandlar Banner sig till Hulken och löper amok inne i hangaren, som får Thor att kämpa mot honom. Romanoff råkar i strid med Barton och slår ner honom medvetslös, vilket bryter Lokis besvärjelse. Loki flyr från sin fängelsecell med hjälp av en av hans underhuggare och lurar Thor in i cellen, av vilken Loki kastar ner från skyn i avsikt att döda honom. Loki lönnmördar sedan agent Coulson innan han slås omkull av Coulsons gevär.

Fury använder Coulsons död för att motivera The Avengers om att de måste arbeta som ett team. I Starks huvudkontor, Stark Tower på Manhattan, inser gruppen att Loki inte kan besegra dem en efter en, utan behöver övermanna dem på ett offentligt sätt så att han kan validera sig själv som Jordens härskare. Med hjälp av en tesseraktdriven interdimensionell generator, byggt av Erik Selvig, öppnar Loke en rymdportal över Manhattan. Ut från den kommer en jättelik Chitauri-flotta som invaderar New York. The Avengers samlar sig för att försvara New York, men blir snart övermannade. Under tiden evakuerar Barton, Captain America och Thor de civila, och Banner förvandlar sig själv till Hulken och går efter Loke, och besegrar honom i en snabb nävkamp. Romanoff anländer till rymdgeneratorn där Selvig, befriad från Lokes besvärjelse, visar att Lokis stav kan användas för att stänga portalen.

Samtidigt överordnar Fury till att avsluta invasionen genom att avfyra en kärnvapenmissil på Manhattan. Men Iron Man fångar den och tar den genom portalen mot Chitauri-flottan i rymden och utplånar den. Iron Man får då slut på energi och faller mot marken, men blir räddad av Hulken. Thor eskorterar Loke och tesserakten tillbaka till Asgård. Fury konstaterar att The Avengers kommer att gå skilda vägar fram till ett nytt världshot dyker upp.