鋼鐵俠托尼·斯塔克（小羅伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 飾）在國會聽證上拒絕交出最新技術。與此同時，他發現胸口的微型電弧反應爐正迅速造成血液的鈀金屬中毒。沮喪的托尼將斯塔克公司的總裁職務交予了秘書波茲（格溫妮絲·帕特羅 Gwyneth Paltrow 飾），由她全權負責正在進行的紐約

在圍剿斯克魯人的戰斗中，克里人星際戰隊成員弗斯（布麗·拉爾森 Brie Larson 飾）不幸成為對方的俘虜。斯克魯人嘗試探究弗斯的記憶，最終發現連弗斯本人都不知道的一段往事，進而也得知名為溫迪?勞森博士的女子掌握著他們急于得到的時空引擎。趁對方不備，擁有強大超能力的弗斯擺脫束縛，逃到了代號為C-5