Los héroes más poderosos de la Tierra deben unirse y aprender a luchar en equipo si quieren evitar que el travieso Loki y su ejército alienígena esclavicen a la humanidad.

Odd Thomas (Yelchin) es un psíquico que vive en un pequeño pueblo de California. Describe su habilidad como: "Veo gente muerta, pero por Dios, hago algo al respecto". Una mañana, el fantasma de una adolescente, Penny Kallisto, lo lleva en silencio hasta Harlo Landerson. Odd acusa a Harlo de violar y asesinar a Penny. Harlo huye. Odd lo persigue hasta una fiesta en la piscina y luego a una habitación infantil en la casa de un desconocido. Harlo y Odd pelean y Harlo queda inconsciente. El amigo de Odd, el jefe de policía Wyatt Porter (Dafoe), es consciente de los dones psíquicos de Odd y promete manipular la historia para mantener la atención del público alejada de él.

En 1933, un niño llamado Will, quien idolatra al legendario Lone Ranger, se encuentra con el anciano comanche Tonto en una feria de San Francisco. Tonto cuenta su historia y sus experiencias con ese aventurero del Viejo Oeste.

El Dr. Will Caster es un científico que investiga la naturaleza de la sapiencia, incluida la inteligencia artificial. Él y su equipo trabajan para crear una teoría computacional de la mente; él predice que una computadora así creará una singularidad tecnológica, o en sus palabras, "Trascendencia". Su esposa, Evelyn (Rebecca Hall), también es científica y lo ayuda en su trabajo.

En 1882, en el pueblo de Old Stump, Arizona, un cobarde granjero de ovejas llamado Albert Stark (Seth MacFarlane) es dejado por su novia Louise (Amanda Seyfried) como resultado de su retirada de un tiroteo. Se prepara para irse a San Francisco, creyendo que la frontera no ofrece nada para él. Mientras tanto, el infame forajido Clinch Leatherwood (Liam Neeson) roba y mata a un viejo buscador de oro (Matt Clark) por una pepita de oro. Ordena a su mano derecha, Lewis (Evan Jones), que lleve a su esposa Anna (Charlize Theron) a Old Stump para que se esconda mientras él continúa con sus fechorías. Lewis y Anna llegan a Old Stump bajo el disfraz de dos hermanos que pretenden construir una granja, pero Lewis es arrestado después de disparar al hijo del pastor (John Aylward) en un salón. Durante la pelea subsiguiente, Albert salva a Anna de ser aplastada por dos de los peleadores, y los dos se convierten en amigos cercanos. Asisten a una feria del condado donde el nuevo novio de Louise, el arrogante Foy (Neil Patrick Harris), desafía a Albert a un concurso de tiro. Albert es derrotado, pero Anna interviene y derrota a Foy. Foy se burla de Albert, quien desafía enojado a Foy a un duelo en una semana. Luego, Anna pasa la semana enseñando a Albert a disparar.