Một tia hy vọng xuất hiện khi Ant-Man (Scott Lang) thoát khỏi Vũ trụ lượng tử và đề xuất ý tưởng du hành thời gian để thu thập các viên đá vô cực ở quá khứ, đảo ngược hành động của Thanos. Nhóm Avengers chia thành nhiều đội, quay ngược thời gian đến các sự kiện then chốt trong suốt lịch sử MCU để lấy các viên đá. Những tình huống hài hước, cảm động và kịch tính xuất hiện khi các nhân vật đối diện với quá khứ cá nhân của mình—ví dụ như Captain America gặp lại Peggy Carter, Thor đối mặt với gia đình và thất bại, Iron Man đối diện với cơ hội cứu vãn gia đình.