程なくしてドイツ・シュトゥットガルトに現れたロキは、駆けつけたスティーブ、トニー、ナターシャと対峙するが、あっけ無く降参する。その隙に、バートンはキューブの安定化に必要なイリジウムを盗んでいた。ロキの義兄、ソーはロキに地球侵略を諦めてアスガルドに戻るよう説得するがかなわず、仕方なくトニーとスティーブに従ってS.H.I.E.L.D.の空飛ぶ空母ヘリキャリアの中にある独房にロキを閉じ込めた。科学者のバナー博士とトニーは、キューブの位置を特定しようとする。

S.H.I.E.L.D.がキューブの秘められた力を地球外生命体からの攻撃への抑止力として利用しようとしていることを知ったアベンジャーズは激論となり、仲間割れを起こす。その間、ロキに操られたバートンと傭兵たちはヘリキャリアを急襲し、エンジンを爆破し航行不能に陥らせようとしていた。トニーとスティーブは協力して停止したエンジンを再起動させようとする。バナー博士は爆発の衝撃で我を忘れて凶暴なハルクに変身し、ナターシャを襲うが、ソーが間一髪それを食い止める。バートンはナターシャとの激しい格闘戦の末に倒されて、ロキのマインド・コントロールから解放された。独房から抜け出したロキは駆けつけたソーを代わりにそこに閉じ込めると、駆けつけたコールソンを刺し殺し、さらにソーを独房ごと空飛ぶ空母から地上に投げ出した。そのまま、ロキは首尾よくヘリキャリアからの脱出に成功する。ハルクは自分を狙ったS.H.I.E.L.D.の戦闘機を攻撃しようとして地上へと落下してしまった。

S.H.I.E.L.D.はコールソンを失ったが、[6]その死をきっかけにアベンジャーズは結束する事となる。トニーとスティーブは、ロキの目的がアベンジャーズの打倒にとどまらず、自身の力を見せ付けて地上に君臨することであると気付く。ロキはキューブとセルヴィグが作った装置を使ってスターク・タワーの真上にワームホールを開くと、チタウリの艦隊を呼び寄せ、ついに攻撃を開始した[7]。

反撃するアベンジャーズであるが、チタウリの波状攻撃にてこずる。スティーブ、トニーとソーは、バートンの助けも借りて、ニューヨーク市民を安全な地下に避難させる。再びバナー博士はハルクに変身し、ロキを追い詰め、滅多打ちにした。スターク・タワーの屋上に到達したナターシャは、ロキのセプターを使えばワームホールを閉じられることを目が覚めたセルヴィグから教えられる。一方、フューリーの上官たちは侵略を食い止めるためにマンハッタンに核ミサイルを打ち込むことを決定していた。トニーは発射された核ミサイルに飛び乗り、無理やり進行方向を曲げてワームホールを通してしチタウリの艦隊へと向かわせる。ミサイルがチタウリの母艦に命中すると、地上にいるチタウリの兵士たちが動かなくなった。アーマーのパワー切れでトニーはニューヨークの街に落下するが、地表に激突する寸前でハルクが受け止める。ワームホールはナターシャの手で完全に閉じられた。平和な日常に戻り、ソーはロキとキューブとともにアスガルドに帰った。アベンジャーズは再び必要とされる時に必ず戻ってくる、とフューリーがヒルに語った。

主要クレジットが流れた後、ジ・アザーが主であるタイタン人のサノスに、うかつに地球に手を出せば、死を招く結果になる危険性を訴えるが、サノスはアベンジャーズに興味を持つように不適な笑みを浮かべていた。全クレジットが流れた後、アベンジャーズがシャワルマ専門店で黙々とシャワルマを食べるシーンがある。
登場人物・キャスト2010年のコミコン・インターナショナルでの『アベンジャーズ』キャスト勢、ジョス・ウェドン、ケヴィン・ファイギ。
トニー・スターク / アイアンマン
演 - ロバート・ダウニー・Jr、日本語吹替 - 藤原啓治大富豪の天才発明家にして慈善家。自社の兵器がテロに使われたことを知り兵器製造から撤退し、テロと戦うべく自身が開発した最新鋭のパワードスーツを装着し、“アイアンマン”として戦う。本作では、さまざまな役割を持って活動するが、相手を茶化す態度やフューリーとS.H.I.E.L.D.への不信感から他のヒーローの不興を買い、内部分裂まで引き起こすトラブルメーカー的な側面も見せる。日本でのキャッチコピーは「ありえないほど《天才》」[8]。ダウニー・Jrは『アイアンマン2』、『アベンジャーズ』を含む4つの作品に出演する契約をマーベル・スタジオと交わした[9]。
スティーブ・ロジャース / キャプテン・アメリカ
演 - クリス・エヴァンス、日本語吹替 - 中村悠一第二次世界大戦中に秘密結社“ヒドラ”を壊滅させ、母国アメリカを救った末に北極海で消息を絶ち、現代に復活した伝説の超人兵士。本作では、持ち前の指揮能力の冴えと卓越した戦闘能力、抜群のリーダーシップでアベンジャーズの指揮官を務める。