电影承接《复仇者联盟3：限战争》的结局——灭霸用限手套打响指，宇宙半数生命灰飞烟灭，复仇者联盟遭遇前所未有的惨败。幸存的英雄们陷入绝望：钢铁侠被困太空濒临死亡，美国队长带领残余成员在废墟中挣扎，雷神因未能阻止灭霸而自我放逐，鹰眼化身“浪人”在世界各地以暴制暴。
为扭转败局，幸存英雄们制定了孤一掷的计划：通过时间穿越回到过去收集限宝石，在不影响现有时间线的前提下，重新打造限手套并打响指，将消失的生命带回。这一过程中，他们穿越到2012年纽约大战、2014年魔拉格星、2013年阿斯加德等关键节点，与过去的自己、反派甚至已故战友重逢。钢铁侠在1970年偶遇父亲，开多年心结；美国队长面对过去的自己说出“九头蛇万岁”，上演经典反转；雷神则在阿斯加德见到母亲，重拾战斗信念。
然而，时间穿越的风险远超预期。2014年的灭霸通过星云的记忆碎片察觉计划，带领大军穿越到现在，试图再次毁灭宇宙。终局之战就此爆发：钢铁侠、美国队长、雷神三人组首次联手对抗灭霸，奇异博士率领魔法师军团、瓦坎达军队、复仇者联盟残余成员全员集结，展开一场横跨陆地、天空与宇宙的终极对决。
战斗中，黑寡妇为获取灵魂宝石，在沃米尔星纵身跳下悬崖牺牲，用生命换来了逆转的希望；钢铁侠在关键时刻夺回限宝石，戴上自制限手套打响指，以凡人之躯承载六颗宝石的力量，最终力竭而亡；美国队长在归还所有宝石后，选择留在过去，与卡特特工共度一生，归来时已是白发苍苍的老人，将盾牌传给猎鹰。
《复联4》不仅是一场拯救宇宙的战役，更是对初代复仇者十年历程的告别。钢铁侠从“我是钢铁侠”到定格在战甲中的微笑，美国队长从“我可以打一整天”到与爱人的最后一支舞，雷神放下锤子选择自由，鹰眼回归家庭……这些角色的命运终章，为漫威电影宇宙的第三阶段画上句点，也开启了新一代英雄的故事。
作为MCU十年布局的“终局”，电影用三个小时的篇幅，将数伏笔、情感与回忆浓缩其中。中国观众提前两天见证的，不仅是一场超级英雄的谢幕，更是一段关于勇气、牺牲与守护的传奇终章。