2012年12月、フロントマンのワトキンスが13件の性犯罪容疑で起訴された。罪状には1歳の女児に対する性的暴行も含まれているというショッキングな内容であった。バンドは以降開催予定だった全てのライヴツアーをキャンセルする事態となった。2013年10月1日、ワトキンスを除くメンバーたちが、Facebook上で解散を発表し、「以後バンドとしての演奏も作曲も一切行わない」とした。彼らはこれらの事態について「傷つき、怒り、吐き気を催している」とした上で、ワトキンスは常に気難しい人物で、バンドの最後の数年に到っては彼との共同作業が困難ではあったものの、ワトキンスの行為については「全く想像もしてないかった」と一切関知していなかったとしている。
S.H.I.E.L.D.の生き残りからの情報で、ヒドラ残党のリーダー:バロン・ストラッカーが極秘裏にロキの杖（セプター）を使い人体実験をおこなっていることを掴んだアベンジャーズは、東欧ソコヴィアにあるヒドラの研究施設を襲撃した。ストラッカーは人体実験で特殊能力を得た双子:ワンダ・マキシモフとピエトロ・マキシモフを解放し抵抗。スティーブらはストラッカーを逮捕し、施設内のコンピュータに残っていたデータを収集する。その途中、トニーはワンダの能力によってアベンジャーズの全員がサノスとの戦いに敗れて息絶えている幻覚を見せられる。アベンジャーズ・タワーで杖を調査し、杖の先の宝石の中に人工知能らしきものを発見したトニーは、これを解析して自身が発案していたウルトロン計画に役立てることを提案、当初は難色を示したブルースも手伝うことになる。ある夜、作戦成功とソーの送別を兼ねたパーティ中に、宝石の中の人工知能がウルトロンとして突如自我に目覚める。地球を救うためには人類を根絶しなければならないと主張し、人工知能J.A.R.V.I.S.を破壊したウルトロンはアベンジャーズと交戦、自己意識をネットワーク上に逃がし、杖を奪って姿を隠す。ウルトロンを創ってしまったトニーとブルースはメンバー全員に責められるが、トニーは、自分がウルトロンを開発しようとしたのは宇宙からの敵の襲来に備えるためだと語る。一方ウルトロンは、ソコヴィアの研究施設でストラッカーが途中で止めていた実験を再開し、自身のボディを強化するとともにロボット軍隊“ウルトロン・セントリー”を作り始めた。さらにウルトロンは、基地から行方をくらましていたマキシモフ兄妹と接触。兄妹の両親は戦争中の爆撃に巻き込まれて殺されており、2人は兵器を販売していたトニー、ひいてはアベンジャーズに憎しみを抱いていた。2人はウルトロンと手を組むことを決め、ウルトロンは捕えられていたストラッカーを殺害する。次に、ウルトロンは世界最強の金属ヴィブラニウムを入手するために、武器商人のユリシーズ・クロウが根城としている廃船を訪れアベンジャーズと交戦。ソー、スティーブ、ナターシャはワンダの力で幻を見せられ戦闘不能、クリントは反撃するが、ピエトロが救助に来て2人は船外へ逃走。外で待機していたブルースもワンダによって錯乱しハルクとなりヨハネスブルグの街を破壊し始め、トニーが対ハルク用の「ハルクバスター」でそれを食い止めるも、その隙にウルトロンはネットに逃亡してしまう。ヨハネスブルグに甚大な被害をもたらし世界中から非難を浴びたアベンジャーズは、バートンの家族が暮らす農場に匿われた。ワンダによってトラウマを刺激されたメンバーは苦悩するが、そこに死を偽装して姿をくらませていたニック・フューリーが訪れ、皆を叱咤する。謎の存在がウルトロンから核ミサイルの発射コードを守っているという情報をフューリーから得たトニーは、ノルウェーのオスロにあるインターネット基地へ、スティーブたちはウルトロンを追って韓国ソウルへと向かう。一方ソーは、自分の見た悪夢の意味を探るため、友人のエリック・セルヴィグ博士とともに、入ることで知識を得られる「ノルンの洞察の泉」を訪れ、インフィニティ・ストーンの夢を見る。新たな身体で復活したウルトロンは、ソウルでヘレン・チョ博士を洗脳し、彼女の研究する人工皮膚細胞と、杖の先端にある宝石、そしてヴィブラニウムを組み合わせ、細胞再生装置（クレードル）で最強の人工肉体を作ろうとする。途中、ウルトロンの心を読んだワンダは、彼の本当の目的が人類を滅亡させることだと気づき、ピエトロとともにウルトロンから離反。追ってきたスティーブらは彼女たちと協力しクレードルは奪取できたものの、ウルトロンはナターシャを捕虜にして逃走してしまう。タワーでクレードルを確保したトニーは、J.A.R.V.I.S.がひそかに生き延びてウルトロンから核ミサイルの発射コードを守護していた事実をブルースに明かす。2人はクレードルにJ.A.R.V.I.S.をアップロードしてウルトロンに対抗しようと試みるがスティーブはそれに激しく反対。そのときソーが戻り、ムジョルニアの雷を使ってクレードルを起動させる。誕生したヴィジョンは、自分をJ.A.R.V.I.Sでもウルトロンでもない新たな存在だと語り、ウルトロンの計画を阻止するため、アベンジャーズとともに戦いに赴くことを決心する。新たに3人が加わったアベンジャーズは、捕えられたナターシャが発信した暗号を頼りに再びソコヴィアへ向かう。ウルトロンは自らのボディをヴィブラニウムで強化し、隕石代わりに使うためにソコヴィアの街全体を空中に持ち上げる装置を建造していた。街全体が上昇していく中、アベンジャーズと仲間たちは街に解き放たれたウルトロン・セントリーと交戦する。ブルースはナターシャを救助するもハルクに変身したままクインジェットに乗って姿を消し、子供を救おうとしたクリントを守ってピエトロが被弾し、死亡。それを知ったワンダはテレキネシスを暴走させウルトロンのコアを破壊するが、ウルトロン・セントリーの1体が装置を作動させてしまう。街が急降下し始めるが、ソーとトニーによって街を破壊することで危機を脱し、ヴィジョンがウルトロン・セントリーの最後の1体を破壊し勝利する。その後、アベンジャーズは運営と基地を一新し、ソーは、インフィニティ・ストーンの謎を解明するためアスガルドへと帰還。クリントは家族のためにアベンジャーズを去り、今回の悲劇の発端をつくったトニーもまたアベンジャーズから一時的に離脱。スティーブは引き続きキャプテン・アメリカとして進む道を選び、ナターシャと共にアベンジャーズの新加入メンバー4人のトレーニングを開始する。