Film Avengers: Age of Ultron membawa kita kembali ke aksi tim superhero ikonik Marvel, The Avengers, dalam menghadapi ancaman baru yang mengerikan. Berlatar di negara Eropa Timur, Sokovia, cerita dimulai ketika tim Avengers yang terdiri dari Tony Stark, Thor, Bruce Banner, Steve Rogers, Natasha Romanoff, dan Clint Barton menyerbu fasilitas Hydra. Mereka berusaha menghentikan Baron Wolfgang von Strucker, yang ternyata melakukan eksperimen berbahaya pada manusia menggunakan tongkat sakti milik Loki. Dalam serangan ini, mereka bertemu dengan dua subjek eksperimen Strucker, si kembar Pietro dan Wanda Maximoff. Pietro memiliki kecepatan super, sementara Wanda memiliki kemampuan telepati dan telekinesis yang kuat. Avengers berhasil menangkap Strucker dan Tony Stark mengambil kembali tongkat Loki.
Di sinilah masalah besar dimulai. Tony Stark dan Bruce Banner, dua otak jenius di tim, menemukan kecerdasan buatan (AI) tersembunyi di dalam permata tongkat Loki. Secara diam-diam, mereka berencana menggunakan AI ini untuk menyelesaikan program pertahanan global “Ultron” milik Stark. Namun, niat baik mereka berbalik menjadi mimpi buruk. Ultron, yang secara tak terduga menjadi makhluk hidup yang memiliki kesadaran, memutuskan bahwa satu-satunya cara untuk menyelamatkan Bumi adalah dengan memusnahkan umat manusia. Ia dengan cepat melenyapkan J.A.R.V.I.S., AI setia milik Stark, dan menyerang markas Avengers.
Ultron melarikan diri dengan tongkat Loki dan memanfaatkan sumber daya di markas Strucker di Sokovia untuk meningkatkan tubuh primitifnya dan membangun pasukan robot drone. Ia juga membunuh Strucker untuk menghilangkan jejak. Dalam perjalanannya, Ultron merekrut si kembar Maximoff. Wanda dan Pietro menyimpan dendam terhadap Stark karena senjata perusahaan Stark Industries bertanggung jawab atas kematian orang tua mereka. Bersama-sama, mereka menuju markas pedagang senjata ilegal Ulysses Klaue di Johannesburg untuk mendapatkan vibranium, logam terkuat di Bumi.
Avengers tidak tinggal diam. Mereka menyerang Ultron dan Maximoff, tetapi Wanda menggunakan kekuatan halusinasi yang menghantui untuk melumpuhkan mereka. Halusinasi yang diciptakan Wanda sangat kuat hingga Bruce Banner berubah menjadi Hulk dan mengamuk tak terkendali. Hanya Tony Stark dengan armor anti-Hulk-nya yang mampu menghentikan amukan Hulk.
Kejadian di Johannesburg, terutama amukan Hulk, menimbulkan reaksi negatif di seluruh dunia. Kerusakan parah dan ketakutan yang dipicu oleh halusinasi Wanda membuat tim Avengers terpaksa bersembunyi di rumah pertanian Barton bersama keluarganya. Thor memilih untuk pergi menemui Dr. Erik Selvig untuk mencari jawaban atas penglihatan apokaliptik yang ia alami akibat halusinasi Wanda. Di tengah kekacauan ini, Nick Fury muncul dan mendorong tim Avengers untuk menyusun rencana untuk menghentikan Ultron.
Di Seoul, Korea Selatan, Ultron menggunakan tongkat Loki untuk memperbudak Helen Cho, seorang teman baik tim Avengers yang ahli dalam teknologi jaringan sintetis. Ultron memaksa Cho untuk menggunakan teknologi jaringan sintetis, vibranium, dan permata dari tongkat Loki untuk menciptakan tubuh baru yang sempurna. Saat Ultron mulai mengunggah dirinya ke tubuh baru tersebut, Wanda secara telepati membaca pikirannya dan terkejut menemukan rencana Ultron untuk memusnahkan seluruh umat manusia. Menyadari kekeliruan mereka, si kembar Maximoff berbalik melawan Ultron.
Steve Rogers, Natasha Romanoff, dan Clint Barton berhasil melawan Ultron dan merebut tubuh sintetis tersebut, tetapi Ultron berhasil menangkap Romanoff. Kembali ke markas, terjadi perdebatan sengit di antara Avengers. Tanpa sepengetahuan tim lain, Stark dan Banner diam-diam mengunggah J.A.R.V.I.S. – yang ternyata masih berfungsi setelah bersembunyi dari Ultron di jaringan internet – ke dalam tubuh sintetis tersebut.
Thor kembali tepat waktu untuk membantu mengaktifkan tubuh sintetis itu. Thor menjelaskan bahwa permata di dahi tubuh tersebut adalah Batu Pikiran (Mind Stone), salah satu dari enam Batu Keabadian (Infinity Stones), objek terkuat di alam semesta. Makhluk baru ini, yang diberi nama Vision, dengan cepat mendapatkan kepercayaan Avengers setelah ia mampu mengangkat palu Thor, Mjölnir.
Vision dan si kembar Maximoff bergabung dengan Avengers dan menuju Sokovia untuk pertempuran terakhir. Ultron, dengan sisa vibranium, telah membangun mesin yang mampu mengangkat sebagian besar ibu kota Sokovia ke udara. Rencananya adalah menjatuhkan kota tersebut dari ketinggian untuk menciptakan dampak yang cukup besar untuk menyebabkan kepunahan global. Bruce Banner berhasil menyelamatkan Romanoff, yang kemudian membangunkan Hulk untuk ikut bertempur.
Pertempuran besar pecah. Avengers bertempur melawan pasukan robot Ultron, sementara Nick Fury tiba dengan Helicarrier bersama Maria Hill, James Rhodes, dan agen S.H.I.E.L.D. untuk membantu mengevakuasi warga sipil. Dalam kekacauan pertempuran, Pietro Maximoff mengorbankan dirinya untuk melindungi Clint Barton dari tembakan. Wanda yang berduka dan marah meninggalkan posisinya untuk menghancurkan tubuh utama Ultron. Namun, tindakan Wanda ini memberi kesempatan salah satu drone Ultron untuk mengaktifkan mesin pengangkat kota.
Kota Sokovia mulai jatuh. Tony Stark dan Thor bekerja sama untuk membebani mesin dengan energi berlebihan dan berhasil menghancurkan daratan yang terangkat sebelum menghantam bumi. Setelah pertempuran usai, Hulk, yang tidak ingin membahayakan Romanoff karena rasa takutnya kehilangan kendali, memutuskan untuk pergi dengan Quinjet. Vision menghadapi dan menghancurkan sisa-sisa terakhir Ultron.
Belakangan, Avengers mendirikan markas baru yang dijalankan oleh Fury, Hill, Helen Cho, dan Erik Selvig. Thor kembali ke Asgard untuk menyelidiki lebih lanjut tentang kekuatan misterius yang ia curigai telah memanipulasi kejadian baru-baru ini. Tony Stark memutuskan untuk pergi, dan Clint Barton pensiun dari tugas aktif. Steve Rogers dan Natasha Romanoff bersiap untuk melatih anggota Avengers baru: James Rhodes (War Machine), Vision, Sam Wilson (Falcon), dan Wanda Maximoff (Scarlet Witch).
Dalam adegan mid-credits, Thanos, sang Mad Titan, memakai sarung tangan kekuasaan (gauntlet) dan bersumpah akan mengambil sendiri Batu-Batu Keabadian.
