O filme se passa um ano após o ataque de Ultron. Vazamentos da SHIELD aumentaram a sensibilização estes vários incidentes, como a batalha de New York, os atentados do Mandarim, a invasão dos Elfos Negros, o estrago que o Hulk causou na África do Sul e a destruição de Sokovia por Ultron. Tudo isso gerou uma reação pública aos super-heróis. Stark está aposentado e está se dedicando a trabalhos filantrópicos para reparar seus erros.
Capitão América (Chris Evans) está conduzindo os Novos Vingadores – Viúva Negra (Scarlett Johansson), Falcão (Anthony Mackie), Máquina de Combate (Don Cheadle), Feiticeira Escarlate (Elizabeth Olsen) e Visão (Paul Bettany) – para derrubar os restos de HIDRA e encontrar Bucky (Sebastian Stan), auxiliados por Nick Fury (Samuel L. Jackson).
O filme abre com eles derrubando uma transação de drogas e recuperando algumas armas com base em Vibranium. Quando voltam para a sua nova sede, os Vingadores começa a se misturar. Viúva Negra é a co-líder da equipe, Falcão e Capitão América são verdadeiros amigos. Além disso Falcão mantém uma rivalidade amigável com Rhodes, uma vez que ambos são aviadores. Cap está treinando Wanda em lidar com seus poderes e perder Pietro, e Visão está aprendendo a lidar com sua consciência em expansão.
Fury então aparece para compartilhar algumas informações sobre Bucky. Ele está matando funcionários HIDRA em todo o mundo, e está ficando difícil mantê-lo sob controle ou encobrir seus assassinatos. Muitos dos membros da HIDRA são personalidades importantes e a população não iria entender isso.
Vemos, então, primeira aparição pública do Homem-Aranha: ele luta contra alguns criminosos, o que muda para uma audiência do Congresso discutindo o assunto, com alguns políticos que defendem a Lei de Registro de Super-Heróis. Stark está ao lado de T’Challa (Chadwick Boseman), que está atuando como porta-voz de Wakanda sobre a questão dos esconderijos de Vibranium que tenham sido expostos pelo ataque de Ultron. A ONU acredita que o metal é um recurso perigoso e quer supervisionar a sua mineração e custódia, mas T’Challa defende que pertence ao seu povo. A intriga política habitual.
Stark então encontra o Capitão para discutir o uso de arma Vibranium e discutir o conceito de registo; Stark é a favor enquanto o Capitão é contra. Eles discutem seus motivos. Enquanto isso, em um covil principal do HIDRA, Barão Zemo (Daniel Brühl) mata pessoas que falharam com ele e com a organização. Ossos Cruzados (Frank Grillo) está lá. Zemo diz que, de fato, os ex-membros não falharam, mas que precisava parecer assim, porque ele não confia em ninguém. E é hora de colocar seu plano em movimento.
Atuando em uma dica de um de seus contatos, Bucky chega a um posto avançado HIDRA em Londres, onde ele é emboscado por mercenários. A luta passa para a rua, onde Ossos Cruzados organiza um atentado a bomba para fazer parecer como se Bucky o causou. As explosões matam várias pessoas e causam danos generalizados. Bucky escapa, e os Vingadores se movem em para limpar os danos. O clamor público é enorme, e a Lei de Registro é aprovada. Stark decide apoiá-la. Ele então descobre que Bucky matou seu pai e quer prendê-lo por isso.
Em sua fazenda, Gavião Arqueiro (Jeremy Renner) é atacado e capturado por Ossos Cruzados, que mata sua esposa (Linda Cardellini). Ele, em seguida, levado para o covil da HIDRA, torturado para entregar onde está a rede secreta de Fury, mas o herói não fala nada.
Capitão é chamado ao escritório de Stark, onde ele se encontra com o agente da CIA, Peter Gyrich, de Londres, parceiro de Sharon Carter (Emily VanCamp). Eles anunciam que o Registro foi aprovado e que o Capitão e sua equipe precisam para se render. O herói diz “não”. Stark então diz a Steve que ele vai prender Bucky, mas o Capitão diz que Bucky é inocente, que sofreu uma severa lavagem cerebral e que precisa de ajuda. Eles tentam capturar Steve, mas ele escapa.
Steve retorna para o QG dos Novos Vingadores e diz aos outros o que aconteceu. Ele entra em uma discussão com Viúva Negra, que acredita que eles precisam se registrar. Eles trocam palavras duras, e quando os militares vêm para capturá-los, Capitão, Falção, Wanda e Visão escapam, enquanto Natasha e Rhodes ficar para trás e juntarem-se ao registo.
Fury esconde os Novos Vingadores em uma casa segura enquanto Stark se aproxima ao Homem-Aranha para que ele se juntar ao Registro. O Cabeça de Teia confidencia a Stark sua identidade secreta, e ele e é surpreendido ao saber que o Aranha é apenas um garoto. Eles se unem, e Peter menciona o mantra de Tio Ben: “com grandes poderes, vêm grandes responsabilidades”. Stark, em seguida, anuncia a sua equipe a favor do Registro em rede nacional, enquanto Capitão e sua equipe tornam-se fugitivos. Sua principal prioridade é encontrar Bucky antes de Stark.
Fury recebe uma pista sobre o paradeiro de Bucky, mas é uma emboscada criada por Stark. Isso gera uma grande briga. Stark tem uma nova armadura, a Bleeding Edge, mas Visão o impede. Seguem várias lutas simultâneas: Feiticeira Escarlate vs alguns soldados e o Homem-Aranha, Falcão vs Máquina de Combate e Cap vs Viúva Negra. Ela ainda tenta levá-lo a ver as coisas do ponto de vista dela. Feiticeira Escarlate consegue criar uma explosão que faz com que sua equipe fuja e re reúna com Fury, que deduz que Romanoff usou sua inteligência de espiã para forjar um uma localização falsa de Bucky e levá-los a um lugar que os colocasse em desvantagem.
Capitão então não quer colocar em risco qualquer outra pessoa, mas todos eles decidem ficar com suas armas e ajudá-lo. Stark descobre, a partir de Rhodes, sobre as armadas de Vibranium que eles têm coletado da HIDRA e Gyrich relata isso a seus superiores. Eles acusam Wakanda de pôr em perigo a segurança global por não dar-lhes entrada, e as tensões escalam.
Bucky descobre sobre a crise Vibranium e passa por seus antigos contatos, eventualmente, a localização de um posto avançado HIDRA onde eles guardam o Vibranium roubado de Wakanda antes de enviar-lo para as outras bases e produzir armas. Stark localiza Bucky e tenta trazê-lo, levando a uma luta em que Bucky fica bastante maltratado, mas escapa. Sem outra opção, ele faz o seu caminho para o local onde Steve está localizado para lhe dizer tudo que sabe sobre a operação.
Bucky então encontra os Novos Vingadores e tem a primeira oportunidade de finalmente conversar com Steve após os eventos de Capitão América: O Soldado Invernal. Em sua base, Zemo fala sobre a relação entre Steve e Bucky. Enquanto isso, Stark relata a seus superiores sobre a HIDRA e o roubo do Vibranium de Wakanda para produzir armas. T’Challa garante que eles vão lidar com isso por conta própria, mas o governo não se abala e Gyrich ordena aos Vingadores do governo para atacar Wakanda, que Stark relutantemente concorda em fazer. Sharon, que é muitas vezes em desacordo com Gyrich sobre seu modo de operar, contata Fury através de uma linha segura e retransmite as informações para Steve, dizendo que ela tem fé nele.
Enquanto isso, Gavião Arqueiro escapa de Zemo.
Os Vingadores de Stark chegam em Wakanda para localizar o Vibranium, levando a tensões com os militares Wakanda apesar de seus esforços para manter a paz. Já os Novos Vingadores de Steve intervêm para impedi-los de causar um incidente internacional e. Outra luta segue, em que Maria Hill admite ter sabotado a armadura de Stark, empatando o jogo. Steve e Stark tem uma grande luta. Os outros Vingadores lutam também entre si no meio da rua.
Steve percebe que, enquanto todo mundo está lutando entre si, o Homem-Aranha parou de lutar para resgatar civis. Ele percebe que eles estão lutando: por eles mesmos e não para ajudar os outros. Ele então diz que eles precisam parar de lutar uns com os outros e se unir para impedir a HIDRA. Natasha, que tinha tido alguns desentendimentos com Stark, se junta ao Capitão quando percebe que eles são mais fortes juntos do que separados.
T’Challa intervém e voluntários o ajudam para tentar impedir a HIDRA, porque ele quer a paz entre o país de seu pai e as Nações Unidas. Os Vingadores, no entanto, não encontrar o posto avançado HIDRA. Foi tudo um joguete de Zemo para que eles se matassem.
Gavião Arqueiro consegue entrar em contato com Fury e informar a localização do covil de Zemo: Suíça. Os Vingadores vão até o local e encontram Barton. Eles então começam a montar um ataque maciço contra o composto de Zemo. O Barão Zemo ordena que seus homens lutem usando as armas de Vibranium e a engenharia reversa do Chitauri. A batalha é feroz.
Gavião Arqueiro luta com Ossos Cruzados e o mata com quatro flechas, um para cada um de seus membros da família mortos. Pantera Negra detona. Wanda finalmente consegue alcançar o controle suficiente sobre seus poderes: ela reorganiza as moléculas que formam armas da HIDRA, selecionando propriedades especiais do Vibranium e permitindo que os Vingadores as destruam.
Capitão e Bucky lutam contra Zemo e sua espada Vibranium, mas Zemo ainda consegue machucá-los enquanto fala sobre seus ideais loucos. Ele finalmente é derrotado e Bucky quase o mata, mas decide poupá-lo, e prova que não é mais o assassino que a HIDRA o obrigou a ser.
Zemo e seus homens estão presos, e Stark recupera a localização de todas as bases secretas da HIDRA. O exército começa a desmantelar toda a organização, prender suas membros e apreender as armas e tecnologia.
Os Novos Vingadores ainda são procurados, mas Stark decide deixá-los ir, e Fury cria novas identidades para eles. Visão decide deixar a Terra. Capitão decide se render, mas confia o seu escudo a Bucky, então ele sempre consegue se lembrar quem ele realmente é: um herói.
Barton descobre que seus filhos sobreviveram, e os leva para um lugar seguro, juntamente com Wanda. Natasha e Rhodes voltam a trabalhar com Stark, enquanto Fury desaparece mais uma vez, agora com Maria Hill ao seu lado. Peter Parker percebe que ele não é feito para lutar em guerras e que é só um garoto comum, Stark o deixa ir e apaga seus dados do Registro.
Stark anuncia a Gyrich que ele agora é o responsável pela Lei de Registro, já queele fez coisas ilegais enquanto estava no posto, e Carter é promovido para o seu lugar.
Stark visita Steve na prisão para tentar concertar as coisas. Zemo está preso. Natasha também visita o Capitão e conserta as coisas, enquanto Bucky mantém a tocha do Capitão América viva.
