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A Sokovia, un paese dell'Europa orientale, Tony Stark, Steve Rogers, Thor, Bruce Banner, Natasha Romanoff e Clint Barton attaccano una base dell'Hydra comandata dal Barone Strucker, il quale sta effettuando degli esperimenti sugli esseri umani utilizzando lo scettro di Loki. Il gruppo si scontra con due gemelli potenziati dagli esperimenti di Strucker: Pietro, in grado di correre a velocità superumane, e Wanda Maximoff, che può manipolare le menti e creare campi di energia. Dopo un duro scontro, gli Avengers riescono a recuperare lo scettro di Loki.
Tornati alla Avengers Tower, Stark e Banner scoprono che all'interno della Gemma dello scettro c'è un'intelligenza artificiale e in segreto la usano per completare il programma di difesa globale "Ultron". Durante la festa organizzata per festeggiare la vittoria, tuttavia, Ultron si attiva, distrugge J.A.R.V.I.S. e attacca la squadra. Ultron fugge con lo scettro di Loki e si rifugia nella base di Strucker a Sokovia, dove potenzia il suo corpo e costruisce un'armata di droni, per poi reclutare i gemelli Maximoff, che ritengono Stark colpevole della morte dei loro genitori e insieme si recano dal trafficante d'armi Ulysses Klaue, per procurarsi del vibranio. Gli Avengers li intercettano e li affrontano, ma Wanda manipola le loro menti facendo avere loro delle visioni. Hulk, in preda alla follia causata dalle visioni, comincia a distruggere la città e Stark utilizza l'armatura Hulkbuster per fermarlo.
Con Ultron presente in tutti i sistemi informatici del mondo e ancora scossi dalle visioni, gli Avengers si rifugiano alla fattoria di Barton, dove incontrano sua moglie Laura e i suoi figli. Thor tuttavia decide di andarsene e di consultarsi con il dr. Erik Selvig sul significato della sua visione, mentre Romanoff e Banner, in intimità, pianificano di fuggire insieme alla fine della missione. L'arrivo di Nick Fury incoraggia la squadra a pensare a un piano per fermare Ultron, il quale, intanto, si è recato a Seul dalla dottoressa Helen Cho, alleata degli Avengers, costringendola a usare il tessuto sintetico da lei ideato, insieme alla Gemma dello scettro, per creare il corpo perfetto. Quando Ultron comincia a trasferire la sua coscienza nel nuovo corpo, Wanda legge nella sua mente, scoprendo così i suoi piani per l'eliminazione della razza umana, e insieme al fratello fugge. Rogers, Romanoff e Barton arrivano a Seul per cercare Ultron: i tre riescono a recuperare il corpo sintetico, ma Ultron cattura Romanoff e fugge. Nel frattempo, alla Avengers Tower, Stark e Banner decidono di provare a trasferire J.A.R.V.I.S. - che si era nascosto su Internet per sfuggire a Ultron - nel corpo sintetico. Thor ritorna e con un fulmine attiva il corpo, spiegando che la creazione di questo androide è parte della sua visione e che la Gemma dello scettro è la Gemma della mente, una delle sei Gemme dell'infinito, i più potenti artefatti dell'Universo.
Insieme alla neo-creata Visione e ai Maximoff, unitisi alla squadra, gli Avengers si recano a Sokovia, dove Ultron ha usato il vibranio per costruire una macchina in grado di sollevare la città e farla schiantare al suolo, generando così un impatto talmente potente da causare l'estinzione globale. Mentre la città comincia a sollevarsi, Banner salva Romanoff, che risveglia Hulk. Gli Avengers combattono l'esercito di Ultron e allo stesso tempo cercano di impedirgli di mettere in pratica il suo piano. Gli Avengers cercano di evacuare quanti più civili possibili e in loro aiuto arrivano Nick Fury e Maria Hill, a bordo di un helicarrier, e James Rhodes. Pietro tuttavia muore per salvare Barton e un bambino e Wanda, disperata, abbandona la sua postazione per distruggere l'androide, permettendo così a uno dei droni di attivare la macchina. La città comincia a precipitare, ma Stark e Thor riescono a sovraccaricare la macchina e a far esplodere la città in volo. Hulk, temendo di mettere in pericolo Romanoff se dovessero fuggire insieme, fugge a bordo di un quinjet, mentre Visione distrugge definitivamente Ultron. Tempo dopo gli Avengers fondano una nuova base. Thor, ritenendo che la Gemma della mente sia al sicuro con Visione, torna ad Asgard per scoprire di più sulle misteriose forze che hanno manipolato gli eventi recenti. Stark e Barton si ritirano dalla squadra, mentre Rogers e Romanoff si preparano ad addestrare una nuova squadra di Avengers, composta da Rhodes, Maximoff, Visione e Sam Wilson.
Nella scena a metà dei titoli di coda Thanos indossa il Guanto dell'Infinito e afferma che recupererà le Gemme di persona.
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In the Eastern European country of Sokovia, the Avengers—Tony Stark, Thor, Bruce Banner, Steve Rogers, Natasha Romanoff, and Clint Barton—raid a Hydra facility commanded by Baron Wolfgang von Strucker, who has experimented on humans using the scepter previously wielded by Loki. They meet two of Strucker's test subjects—twins Pietro (who has superhuman speed) and Wanda Maximoff (who has telepathic and telekinetic abilities)—and apprehend Strucker, while Stark retrieves Loki's scepter.
Stark and Banner discover an artificial intelligence within the scepter's gem, and secretly decide to use it to complete Stark's "Ultron" global defense program. The unexpectedly sentient Ultron, believing he must eradicate humanity to save Earth, eliminates Stark's A.I. J.A.R.V.I.S. and attacks the Avengers at their headquarters. Escaping with the scepter, Ultron uses the resources in Strucker's Sokovia base to upgrade his rudimentary body and build an army of robot drones. Having killed Strucker, he recruits the Maximoffs, who hold Stark responsible for their parents' deaths by his company's weapons, and goes to the base of arms dealer Ulysses Klaue in Johannesburg to get vibranium. The Avengers attack Ultron and the Maximoffs, but Wanda subdues them with haunting visions, causing Banner to turn into the Hulk and rampage until Stark stops him with his anti-Hulk armor.[N 1]
A worldwide backlash over the resulting destruction, and the fears Wanda's hallucinations incited, send the team into hiding at Barton's farmhouse. Thor departs to consult with Dr. Erik Selvig on the apocalyptic future he saw in his hallucination, while Nick Fury arrives and encourages the team to form a plan to stop Ultron. In Seoul, Ultron uses Loki's scepter to enslave the team's friend Helen Cho. They use her synthetic-tissue technology, vibranium, and the scepter's gem to craft a new body. As Ultron uploads himself into the body, Wanda is able to read his mind; discovering his plan for human extinction, the Maximoffs turn against Ultron. Rogers, Romanoff, and Barton fight Ultron and retrieve the synthetic body, but Ultron captures Romanoff.
The Avengers fight among themselves when Stark and Banner secretly upload J.A.R.V.I.S.—who is still working after hiding from Ultron inside the Internet—into the synthetic body. Thor returns to help activate the body, based on his vision that the gem on its brow is the Mind Stone, one of the six Infinity Stones, the most powerful objects in existence. This "Vision" earns their trust by being worthy of lifting Thor's hammer, Mjölnir. Vision and the Maximoffs go with the Avengers to Sokovia, where Ultron has used the remaining vibranium to build a machine to lift a large part of the capital city skyward, intending to crash it into the ground to cause global extinction. Banner rescues Romanoff, who awakens the Hulk for the battle. The Avengers fight Ultron's army while Fury arrives in a Helicarrier with Maria Hill, James Rhodes, and S.H.I.E.L.D. agents to evacuate civilians. Pietro dies when he shields Barton from gunfire, and a vengeful Wanda abandons her post to destroy Ultron's primary body, which allows one of his drones to activate the machine. The city plummets, but Stark and Thor overload the machine and shatter the landmass. In the aftermath, the Hulk, unwilling to endanger Romanoff by being with her, departs in a Quinjet, while Vision confronts and destroys Ultron's last remaining body.
Later, with the Avengers having established a new base run by Fury, Hill, Cho, and Selvig, Thor returns to Asgard to learn more about the forces he suspects have manipulated major events. As Stark leaves and Barton retires, Rogers and Romanoff prepare to train new Avengers: Rhodes, Vision, Sam Wilson, and Wanda.
In a mid-credits scene, Thanos dons a gauntlet[N 2] and vows to retrieve the Infinity Stones himself.
