La secuela fue anunciada en mayo de 2012, después del éxito de The Avengers. Joss Whedon, quien fue el director de la primera entrega, volvió a ser elegido para este filme. En abril de 2013, Whedon había completado un borrador del guion y el casting inició en junio de 2013 después de la renovación del contrato de Robert Downey, Jr. El rodaje comenzó en febrero de 2014, en la ciudad de Johannesburgo, Sudáfrica.Escrita y dirigida por Joss Whedon, la película presenta un elenco coral que incluye a Chris Evans, Robert Downey Jr., Mark Ruffalo, Chris Hemsworth, Scarlett Johansson, Jeremy Renner, Cobie Smulders, Aaron Taylor-Johnson, Elizabeth Olsen, James Spader, Samuel L. Jackson, Paul Bettany, Don Cheadle y Claudia Kim.
Estará sucedida por Avengers: Infinity War - Part I y por Avengers: Infinity War - Part II, que llegarán a los cines el 4 de mayo de 2018 y el 3 de mayo de 2019, respectivamente.