Père adoptif de Gamora et Nébula, Thanos a commencé à recueillir les six Pierres d'Infinité : la Pierre du Pouvoir, la Pierre de l'Espace, la Pierre de Réalité, la Pierre de l'Âme, la Pierre du Temps et la Pierre de l'Esprit. Son objectif est de réunir ces six artefacts sur le Gant d'Infinité, forgé jadis par le nain Eitri sur Nidavellir, afin d'utiliser leur immense puissance pour détruire la moitié de la population de l'Univers et rétablir ainsi un certain équilibre. Dans sa quête le menant sur diverses planètes, la Terre, Knowhere et Vormir, Thanos est aidé par ses enfants adoptifs : Ebony Maw (en), Cull Obsidian (en), Corvus Glaive (en) et Proxima Midnight (en). Face à cette nouvelle menace qui concerne l'Univers entier, le groupe de super-héros des Avengers, divisé depuis 2 ans, doit se reformer, et s'associer au Docteur Strange, aux Gardiens de la Galaxie et au peuple du Wakanda.
SPOILER
Une semaine après s'être emparé de la Pierre du Pouvoir sur XandarN 1, Thanos, à bord du Sanctuaire II, intercepte le vaisseau qui transporte les derniers survivants de la destruction d'AsgardN 2. Lors de l'attaque, les Asgardiens envoient un signal de détresse. Thanos pénètre dans le vaisseau Asgardien avec ses enfants adoptifs : Ebony Maw, Cull Obsidian, Corvus Glaive et Proxima Midnight. La moitié des Asgardiens sont tués et Thor est au plus mal par la puissance de Thanos. Il menace de tuer Thor avec la Pierre du Pouvoir si Loki ne lui remet pas le Tesseract, qui contient la Pierre de l'Espace. Thor croit que le Tesseract a été détruit sur Asgard, mais Loki révèle qu'il l'avait en sa possession. C'est alors que Hulk apparaît et combat Thanos, mais ce dernier le maîtrise facilement. Heimdall utilise ses dernières forces pour ouvrir le Bifröst et envoyer Hulk sur Terre afin de prévenir le reste des Avengers de l'arrivée imminente de Thanos. En représailles, ce dernier tue Heimdall avec l'arme de Glaive. Thanos se débarrasse de son armure et s'empare de la Pierre de l'Espace. Loki tente d'amadouer Thanos en lui faisant croire qu'il est de son côté et qu'il peut l'aider dans sa recherche sur Terre de deux Pierres d'Infinité (les Pierres de l'Esprit et du Temps). Il essaie alors de tuer Thanos mais celui-ci le contre et lui brise le cou sous les yeux de Thor, impuissant, avant de pulvériser le vaisseau en utilisant la Pierre du Pouvoir et de disparaître avec ses enfants en utilisant la Pierre de l'Espace.
Hulk s'écrase sur Terre, à New York, dans le Sanctum Sanctorum gardé par Docteur Strange et son assistant, WongN 3. Apprenant l’arrivée de Thanos par Banner, Strange sollicite l'aide de Tony Stark, alias Iron Man, qui doit bientôt se marier avec Pepper. Banner explique à Stark que Thanos cherche les Pierres d'Infinité, dont celle qui anime Vision. Pour retrouver l’androïde au plus vite, Banner suggère de contacter Steve Rogers, ignorant que Stark et lui sont en froid depuis deux ansN 4. Strange, porteur et gardien de la Pierre du TempsN 3, est également une cible pour les disciples de Thanos qui attaquent New York à ce moment-là. Peter Parker s'échappe de son bus de sortie scolaire en voyant l'énorme vaisseau des enfants adoptifs de Thanos flotter au-dessus des rues de la ville et enfile son costume de Spider-Man pour prêter main forte à Stark, Banner, Strange et Wong. Tony demande à Bruce de se changer en Hulk pour affronter l'énorme colosse, Obsidian, mais malgré les efforts de Banner, Hulk refuse de se montrer, traumatisé par sa défaite face à Thanos. Les cinq héros combattent Maw et Obsidian ; finalement, Maw parvient à capturer Strange et quitte la Terre à bord de son vaisseau, avec Iron Man et Spider-Man comme passagers clandestins. Wong retourne au Sanctum Sanctorum et Banner contacte Rogers lui-même grâce au téléphone de Stark.
Dans l'espace, les Gardiens de la Galaxie répondent au signal de détresse du vaisseau Asgardien et tombent sur Thor dans les débris du vaisseau. Thor soupçonne Thanos d'être à la recherche de la Pierre de Réalité, qui se trouve en la possession du CollectionneurN 5, sur la colonie minière de Knowhere, mais il a une autre priorité : obtenir une arme capable de se substituer à MjolnirN 6 et de tuer Thanos. Rocket et Groot accompagnent Thor dans sa quête vers Nidavellir.
En Écosse, Wanda Maximoff et Vision vivent une idylle, cachés du monde et des autres Avengers. Vision tente de se stabiliser avec Wanda, mais celle-ci semble en plein doute. C'est alors que Proxima Midnight et Corvus Glaive leur tendent une embuscade et les mettent en grande difficulté. Alors que la situation devient de plus en plus critique pour Vision, Captain America, Natasha Romanoff et Sam Wilson arrivent pour les sauver. Natasha blesse gravement Corvus Glaive en lui enfonçant l'arme de Proxima Midnight dans le ventre, qui prend la fuite avec elle.
Peter Quill, Gamora, Drax et Mantis se rendent sur Knowhere à la recherche du Collectionneur. Malheureusement, ils arrivent trop tard : Thanos est déjà là et torture le Collectionneur pour qu'il lui donne la pierre. Drax, fou de rage, veut tuer Thanos pour venger la mort de sa famille mais c'est Gamora, fille adoptive de Thanos, qui surgit et poignarde la gorge de son père avant de s'effondrer en pleurs. Soudain, la voix de Thanos s'élève autour des Gardiens de la Galaxie : il est toujours en vie, avait en réalité déjà tué le Collectionneur et retrouvé la Pierre de la Réalité, qu'il a utilisé pour piéger les Gardiens. Il capture Gamora. Celle-ci avait demandé à Quill de lui promettre de la tuer au cas où Thanos voudrait la capturer. Après une longue hésitation, Quill décide de lui tirer dessus mais Thanos transforme aussitôt son arme en bulles grâce à la Pierre de la Réalité et disparait avec sa fille.
Captain America, Romanoff, Wilson, Wanda et Vision rentrent au quartier général des Avengers. Là-bas, James Rhodes tient une visioconférence avec le secrétaire d'État Thaddeus « Thunderbolt » Ross. Celui-ci s'en prend aux Avengers présents, mais Captain America le prévient qu'ils ne lui répondent désormais plus et qu'ils mettront tout en œuvre pour repousser la menace qui pèse sur Terre, et que Ross ferait mieux de ne pas se mettre en travers de leur chemin. Vision fait remarquer à Wanda que puisque leurs pouvoirs respectifs leur viennent de la Pierre de l’EspritN 7, elle devra être prête à détruire la Pierre, et donc à le tuer, si nécessaire, pour éviter que Thanos ne s'en empare. Banner suggère de la retirer, considérant que Vision n'est pas que le résultat de la Pierre de l’Esprit et qu'il pourrait être maintenu en vie sans elle. Rogers pense alors à la technologie du Wakanda et l'équipe part pour le royaume africain. Stark et Spider-Man, de leur côté, sauvent Docteur Strange qui se faisait torturer par Maw à bord de son vaisseau. Stark propose à Strange de prendre Thanos par surprise et de l'attaquer sur son propre terrain.
Dans le Sanctuaire II, Thanos explique à Gamora qu'il sait qu'elle connaît l'emplacement de la Pierre de l'Âme. Il confronte alors sa fille à sa sœur, Nébula, qu'il torture sous ses yeux pour que Gamora parle. Celle-ci ne tient pas longtemps et le supplie d'arrêter, en échange de quoi elle révèle que la Pierre de l'Âme se trouve sur Vormir. En même temps, Thor, Rocket et Groot arrivent sur Nidavellir (la forge des nains à l'origine de la création de son puissant marteau) et voient que la forge est inactive. Le seul nain survivant est Eitri, qui révèle que Thanos est venu massacrer tout le monde sauf lui, dont il a pris les mains pour qu'il ne puisse jamais forger d'arme capable de le défaire. Pendant ce temps, Nébula parvient à s'enfuir du vaisseau de Thanos et demande au reste des Gardiens de la Galaxie de la retrouver sur Titan, le monde d'origine de Thanos. Le vaisseau de Maw atterrit sur Titan. Une fois sur place, Stark, Docteur Strange et Spider-Man tombent sur Star-Lord, Drax et Mantis. Le groupe met au point un plan pour retirer à Thanos le Gant d'Infinité, qu'il utilise pour concentrer et utiliser le pouvoir des six Pierres d'Infinité. Strange utilise la Pierre du Temps pour voir l'avenir, et étudie les issues possibles au conflit avec Thanos. Il révèle à Stark que les Avengers, et a fortiori l'univers, ne sont vainqueurs de Thanos que dans un seul et unique scénario sur plusieurs millions de futurs possibles (14 000 605 selon Strange).
Thanos se rend avec Gamora sur Vormir et tombent sur Crâne rouge, ancien ennemi de Captain America, envoyé par le Tesseract sur cette planèteN 8 et devenu le gardien de la Pierre de l'Âme. Celui-ci n'est cependant pas hostile à Thanos, et lui explique qu'il va devoir sacrifier ce qu'il aime le plus dans l'univers, pour obtenir la Pierre de l'Âme et son pouvoir. Thanos, dévasté, jette Gamora dans le vide, la sacrifiant, et obtient la Pierre de l'Âme.
Sur Terre, les Avengers qui étaient partis pour le Wakanda y entrent et rencontrent T'Challa qui rassemble une armée avec les soldats des différentes tribus (y compris celle de M'Baku) et les Dora Milaje d'Okoye, en prévision de l'attaque de Thanos. Il demande à sa sœur, Shuri, d'extraire la Pierre de l'Esprit du corps de Vision. Captain America retrouve aussi son vieil ami Bucky Barnes, le Soldat de l'HiverN 4, qui a reçu un nouveau bras bionique de la part des Wakandais.
L'armée de Thanos attaque le Wakanda et toutes les tribus se mobilisent pour défendre le pays au côté des Avengers. Banner, faisant face au refus de Hulk de « sortir de son corps », combat dans l’armure Hulkbuster. Pour empêcher les vagues de monstres envoyées par les enfants de Thanos de faire le tour de la barrière et d'aller chercher Vision qui serait sans protection, T'Challa prend le risque d'ouvrir une partie de la barrière protectrice. Les deux camps s'affrontent.
Sur Nidavellir, Thor parvient à réactiver la forge et à raviver le cœur de l’étoile à neutrons en son centre pour qu'Eitri fonde le métal et crée Stormbreaker, une hache redoutable qui permet à l'Asgardien de renforcer ses capacités et lui permettrait également d'invoquer le Bifröst.
Les Avengers et le Wakanda sont vite submergés. Alors que tout semble perdu, Thor, Groot et Rocket viennent au secours de leurs alliés et retournent la situation. Thanos se rend sur Titan et trouve Strange, seul. Il lui explique qu'il a besoin des pierres pour sacrifier la moitié des êtres vivants dans l'univers pour assurer la pérennité des survivants. Star-Lord, Drax, Mantis, Iron Man, Spider-Man et Strange parviennent à immobiliser et à maîtriser Thanos. Nébula arrive au même moment, et remarque que Gamora n'est pas là. Elle en déduit que Thanos l'a tuée, ce qui fait entrer Star-Lord dans une rage folle, frappant Thanos. Ce dernier utilise la confusion pour contre-attaquer.
Au Wakanda, Wanda rejoint le champ de bataille pour contrer certaines armes utilisées par les forces de Thanos. Vision saute sur Corvus Glaive et brise la vitre du laboratoire de Shuri, celle-ci n'ayant pas encore pu retirer la pierre de son front. Captain America vient au secours de Vision et combat Glaive mais il est finalement tué par Vision qui lui enfonce son arme dans le cœur. Banner affronte Cull Obsidian grâce à l'armure « Veronica » et l'envoie contre la barrière protectrice du Wakanda grâce à la main robotique de l'armure. Proxima Midnight est confrontée au trio Natasha Romanoff, Wanda Maximoff et Okoye puis, alors qu'elle s'apprête à tuer Black Widow, elle est finalement tuée par Wanda qui la projette contre l'une des armes que les Enfants de Thanos avaient envoyés. Leur armée est défaite par Thor qui détruit leurs vaisseaux. Sur Titan, Thanos met tout le monde à terre et est sur le point d'achever Stark lorsque Strange se résout à lui donner la Pierre du Temps en échange de la vie de Stark. Thanos disparaît via un portail qu'il ouvre vers la Terre. Il arrive au Wakanda pour récupérer la Pierre de l'Esprit sur Vision. Strange révèle à Stark que c'était « le seul moyen ». Les Avengers retiennent Thanos autant que possible pendant que Wanda se résout à détruire la dernière Pierre qui manque au Titan fou. Thanos réussit à mettre à terre tous les Avengers, y compris Captain America qui arrive presque à le repousser, mais Wanda parvient à détruire la Pierre de l'Esprit grâce à ses pouvoirs, détruisant également Vision dans le processus.
Cependant, la destruction de Vision n'empêche rien : avec la Pierre du Temps, Thanos ramène l'androïde dans son état initial, lui arrache lui-même la pierre et complète son gant. C'est alors que Thor parvient à blesser Thanos au torse avec Stormbreaker. Thanos lui dit qu'il a commi une erreur en ne l'ayant pas visé à la tête et, de sa main gantée, claque des doigts, libérant les pouvoirs des Pierres d'Infinité. Il a tout de suite une vision : Gamora, enfant, lui demande ce que lui a coûté sa quête. Il lui répond : « Tout ». Puis il ouvre un portail et y disparaît.
Thanos a atteint son but : la moitié des êtres à travers l'univers se désintègrent ; les survivants voient se transformer en poussière Bucky Barnes, Black Panther, Groot, Wanda Maximoff, Sam Wilson, Mantis, Drax, Star-Lord, Docteur Strange et Spider-Man, lequel disparaît en pleurs dans les bras de Tony Stark. Les héros survivants sont désormais séparés : Nébula et Tony Stark sont toujours sur Titan tandis que Captain America, Thor, Bruce Banner, Natasha Romanoff, War Machine, Rocket, Okoye et M'Baku se retrouvent seuls et désemparés sur le champ de bataille du Wakanda. Thanos s'éveille sur une planète éloignée et observe avec satisfaction, à l'horizon, un lever de soleil qui marque sa victoire, malgré le lourd tribut.
Scène post-générique
Nick Fury et Maria Hill, à New York, remarquent que les gens se désintègrent. Maria Hill disparaît à son tour sous les yeux de Fury. Alarmé, il décide d'envoyer un signal de détresse avec un dispositif avant de disparaître à son tour. Le signal est toutefois transmis et la réponse arrive : le symbole de Captain Marvel s'affiche sur l'écran.