Biệt Đội Siêu Anh Hùng 2: Đế Chế Ultron lấy khởi đầu từ nhân vật Tony Stark - siêu anh hùng Iron Man. Khi chàng tỷ phú tái khởi động dự án gìn giữ hòa bình bị ngưng hoạt động từ lâu, mọi chuyện diễn ra không hề suôn sẻ. Các siêu anh hùng vĩ đại nhất trên Trái đất gồm Iron Man, Captain America, Thor, Hulk, Black Widow và Hawkeye đứng trước một thử thách vô cùng khó khăn trong việc đem lại cân bằng cho toàn thế giới.
Nhân dịp Thor đến Trái Đất lần thứ ba, Biệt đội Avengers mời anh cùng tấn công căn cứ của HYDRA tại một nước Đông Âu là Sokovia. Chỉ huy căn cứ này là Baron Strucker - kẻ đang tiến hành thí nghiệm trên cơ thể con người bằng cây quyền trượng của Loki. Đội Avengers chạm trán hai thí nghiệm của Strucker - cặp anh em sinh đôi nhà Maximoff, Pietro có siêu tốc độ còn Wanda có khả năng điều khiển tâm trí và phóng ra năng lượng bằng tay. Biệt đội Avengers đã bắt được Strucker và Tony Stark lấy lại cây quyền trượng của Loki. Nhưng lúc ấy Wanda sử dụng ảo giác cho Stark thấy một cảnh tượng đáng sợ - một đội quân Chitauri còn đông hơn trong phần một xâm lược Trái Đất, và cả đội Avengers bị hạ gục trừ anh.
Stark và Bruce Banner đã khám phá ra trí tuệ nhân tạo bên trong viên đá của cây quyền trượng và bí mật sử dụng nó để hoàn thiện dự án phòng thủ toàn cầu "Ultron" của Stark. Nhưng Ultron lại có khả năng tự nhận thức, tin rằng hắn phải tiêu diệt tận gốc loài người để bảo vệ Trái Đất, nên hắn đã vô hiệu hoá J.A.R.V.I.S. và tập kích Biệt đội Avengers ngay tại tháp Avengers[a]. Sau khi đem cây quyền trượng trốn thoát, Ultron đã sử dụng những cơ sở trong căn cứ của Strucker để tạo ra một cơ thể thực sự cho hắn. Giết Strucker xong, Ultron đã kết nạp anh em nhà Maximoff - những người muốn Stark phải chịu trách nhiệm cho cái chết của bố mẹ họ vì vũ khí của tập đoàn Stark. Họ cùng nhau đến gặp tay buôn lậu vũ khí Ulysses Klaue tại một xưởng đóng tàu ở châu Phi để mua Vibranium của vương quốc Wakanda. Các siêu anh hùng liền đuổi theo nhưng Wanda đã khống chế được họ (trừ Stark và Clint Barton) bằng ảo giác, làm Hulk nổi điên lên đập phá thành phố buộc Stark phải triệu hồi Veronica sử dụng bộ giáp khổng lồ Hulkbuster (Mark 44) để kìm hãm anh.
Phản ứng dữ dội của dư luận thế giới và hậu quả từ nỗi sợ ảo giác của Wanda đã buộc các siêu anh hùng phải ẩn náu tại nhà riêng của Barton. Thor đã đi gặp Tiến sĩ Erik Selvig để xem kỹ tương lai tận thế trong ảo giác của anh, trong khi đó Natasha Romanoff và Banner lên kế hoạch cùng nhau bỏ đi thật xa sau khi nhận ra sự hấp dẫn của nhau. Mặc dù vậy, Nick Fury đã đến để khuyến khích toàn đội lên kế hoạch ngăn chặn Ultron. Ở Seoul, Ultron đã khống chế Tiến sĩ Helen Cho để sử dụng công nghệ sợi tổng hợp của cô cùng với Vibranium và viên đá của cây quyền trượng để hoàn thiện cơ thể mới cho hắn. Khi Ultron đang tải hắn vào cơ thể mới, Wanda đã đọc được tâm trí của hắn và biết được âm mưu tiêu diệt loài người của hắn. Hai anh em nhà Maximoff trở mặt chống lại Ultron. Steve Rogers, Romanoff và Barton truy tìm Ultron để giành lại cơ thể tổng hợp, nhiệm vụ hoàn thành nhưng Ultron đã bắt được Romanoff. Kế hoạch ban đầu thất bại khiến Ultron đành tự tạo cơ thể khác bằng Vibranium, song vẫn tạo ra đội quân bản sao tay sai như dự định.
Hệ điều hành J.A.R.V.I.S. - vẫn còn hoạt động sau khi trốn thoát khỏi Ultron vào Internet, Tony và Bruce tải nó vào cơ thể tổng hợp. Nhưng Rogers và anh em nhà Maximoff tìm cách ngăn cản việc này vì nghe theo lời Wanda, cho rằng Stark sẽ lặp lại sai lầm cũ. Giữa cuộc hỗn chiến, Thor trở lại để giúp kích hoạt cơ thể tổng hợp, tạo ra Vision, giải thích rằng viên đá trên trán nó là Viên đá Tâm Trí - một trong sáu Viên đá Vô Cực - những vật thể mạnh nhất hiện tại có sức phá hủy vũ trụ - và là một phần trong ảo giác của anh. Vision và anh em nhà Maximoff cùng Biệt đội Avengers đến Sokovia, nơi Ultron tạo ra một cỗ máy để nâng thủ đô Sokovia là Novi Grad lên trời, rồi sẽ làm nó rơi xuống mặt đất để hủy diệt thế giới. Romanoff sau khi được Banner tìm thấy và giải cứu đã đưa anh vào rừng, đánh thức Hulk. Biệt đội siêu anh hùng chiến đấu với đội quân robot của Ultron trong khi Fury cùng Maria Hill, James Rhodes và các đặc vụ của S.H.I.E.L.D. sơ tán người dân lên phi thuyền Helicarrier. Pietro đã hi sinh khi che chắn cho Barton khỏi làn đạn của Age of Ultron, Wanda giận dữ đối đầu Ultron và moi tim hắn để trả thù cho anh trai, nhưng chính việc tự ý bỏ vị trí của cô đã cho phép Ultron lợi dụng sơ hở điều khiển xác một drone kích hoạt cỗ máy, Novi Grad bắt đầu rơi xuống. Stark và Thor đã kịp tấn công ở cả hai đầu cỗ máy khiến vùng đất này nổ tung. Sau đó, Hulk sợ bản thân mình sẽ gây nguy hiểm cho Romanoff nên anh đã rời đi trên chiếc máy bay Quinjet và mất tích trên bầu trời, trong khi Vision đối mặt với cơ thể suy yếu của Ultron và kết liễu hắn.
Sau đó, Biệt đội Avengers đã thành lập một trụ sở mới được điều hành bởi Fury, Hill, Cho, và Selvig. Nghi ngờ kẻ nào đó trong vũ trụ đã thao túng các sự kiện gần đây, Thor tạm trở về Asgard để biết thêm tình hình. Stark và Barton cũng rời đi, Rogers và Romanoff chuẩn bị lãnh đạo một đội siêu anh hùng mới gồm Rhodes, Vision, Sam Wilson và Wanda. Bộ phim kết thúc trong khi Rogers đang nói dở câu: "Avengers, tập..."
Trong phần cảnh hậu danh đề, không hài lòng với sự thất bại của những quân cờ của mình, Thanos đã đeo chiếc găng tay Vô cực rỗng và quyết định sẽ tự giành lấy những viên đá vô cực.