Les Expendables : Barney Ross (Sylvester Stallone), Lee Christmas (Jason Statham), Yin Yang (Jet Li), Gunnar Jensen (Dolph Lundgren), Hale Caesar (Terry Crews), et Toll Road (Randy Couture) sont en mission au Népal, dans le District de Sindhulpalchok, pour délivrer un milliardaire chinois prisonnier dans une base militaire bien gardée. À bord de véhicule-béliers et bien armée, l'équipe parvient à entrer dans la base et retrouve rapidement l'otage recherché, ainsi qu'un autre prisonnier, Trench Mauser (Arnold Schwarzenegger), capturé alors qu'il tentait de délivrer le milliardaire de son côté. Ross lui assure qu'il lui est maintenant redevable, puis l'équipe repart, pendant que Trench prend un autre chemin. Les Expendables parviennent à fuir leurs poursuivants avec le milliardaire sain et sauf après une poursuite à travers la jungle puis sur le fleuve, grâce au soutien de Billy The Kid (Liam Hemsworth), une nouvelle recrue, jeune militaire et très bon tireur d'élite. Un peu plus tard, Yang quitte ses partenaires pour quelque temps, car il est chargé d'escorter le milliardaire jusqu'à Pékin... mais comme l'autorisation d'atterrir a été reportée, les 2 hommes sont parachutés à la province d'Hebei.
De retour chez eux, l'équipe passe la soirée dans un bar, où Billy annonce à Ross qu'à la fin du mois, il quittera le groupe pour retrouver sa petite amie française, avec l'opportunité d'avoir une belle vie, et Ross en est ravi. Quelques instants plus tard, Ross est à peine monté dans son avion que surgit du cockpit M. Chapelle (Bruce Willis), qui explique à Ross que s'estimant arnaqué lors de leur dernière mission (Vilena, où ils ont gardé pour eux 5 millions de dollars), il lui doit une mission, selon lui simple : ramener le contenu d'un coffre-fort qui ne doit pas tomber en de mauvaise mains, et qui se trouve dans un avion ayant été abattu. Pour pouvoir ouvrir le coffre très high tech avec son code changeant toutes les 120 secondes, et déclenchement d'une explosion à la moindre erreur, Chapelle impose qu'une experte, Maggie Chang (Yu Nan), participe à la mission ; Ross accepte à contre-c?ur.
L'équipe part pour les montagnes de Gazak en Albanie. Arrivée à destination, Billy devance ses partenaires pour servir d'éclaireur, ainsi l'avion abattu est rapidement retrouvé. Ross, Christmas, Maggie et Caesar montent à bord pour récupérer le contenu du coffre, Jensen et Road surveillent l'extérieur pendant que Billy est envoyé sur les hauteurs. Pas sans mal, Maggie finit par récupérer le contenu, l'équipe peut rentrer, mais Billy manque à l'appel : il est retrouvé captif d'un groupe de mercenaires, leur chef Jean Vilain (Jean-Claude Van Damme) réclame le contenu du coffre ; après une longue hésitation et les menaces répétées de tuer Billy, Christmas donne ce qui est demandé au bras droit du chef, Hector (Scott Adkins). Après avoir commandé aux hommes de Ross une rude soumission (lâchage des armes et allongement à plat ventre à même le sol), Vilain, avec l'aide d'Hector et du poignard même de Ross, assassine Billy, sous les yeux impuissants de ses frères d'armes, avant de prendre la fuite par hélicoptère. Avant de s'éteindre, Billy confie une lettre à Ross ; énervé, celui-ci réclame des explications à Maggie sur le contenu du coffre, elle avoue qu'il s'agit d'un ordinateur contenant les plans d'une mine où sont stockés 5 tonnes de plutonium à usage militaire, abandonné par la Russie après la guerre froide. L'équipe enterre Billy, Ross lit la lettre, celle-ci est destinée à Sophie, la femme que Billy prévoyait de rejoindre ; ému, Ross ne comprend pas pourquoi quelqu'un comme Billy qui méritait de vivre soit mort, alors que les autres qui méritent la mort sont toujours vivants. Dès lors, le plan de Ross à l'égard de Vilain est radical : « le traquer, le trouver, et le tuer ».
Énervé de ne pas avoir encore eu son contenu, Chapelle prend contact avec Ross, qui lui annonce qu'il n'a plus les plans, que l'un de ses hommes est mort pour essayer de les garder, que Chapelle n'a pas le cran de faire le sale boulot lui-même, et qu'il n'y a plus de dette qui tienne. Pendant ce temps, Vilain est arrivé à la fameuse mine qu'il occupait déjà depuis un certain temps, et où de nombreux villageois travaillent d'arrache-pied, ceux qui ne sont plus en état sont immédiatement exécutés. Vilain ordonne à ses sbires de retourner dans les villages et d'embarquer hommes, femmes et même enfants pour accélérer le travail, et après avoir consulté le plan volé, il réclame que le stock de plutonium soit récupéré au maximum dans 3 jours afin d'en faire un profit record. Les Expendables suivent approximativement l'ordinateur volé en se servant de la transmission qu'il émet... le signal fini par se couper, mais grâce à Maggie, l'équipe obtient le soir même des informations dans le bar d'un petit village, notamment que les mercenaires qu'ils ont rencontré se nomme les « Sangs », un cartel criminel qui se loue au plus offrant, et qui contrôle toute la partie Est des montagnes de la région, ensuite Christmas est chargé d'aller chercher du matériel pendant que les autres continuent leur route, et passent la nuit suivante dans une petite ville abandonné qui servait de base et de camp d'entrainement à l'armée Russe durant la guerre froide. Au petit matin, l'équipe s'apprête à repartir, mais très vite elle est bloquée par l'attaque d'un groupe de Sangs, réprimée par Booker (Chuck Norris), alias « Loup solitaire ». Après des retrouvailles qui ne manquent pas d'humour, Booker conseille à Ross d'avoir plus d'hommes pour venir à bout de Vilain et ses sbires, ainsi que d'aller voir un village voisin où il y a probablement des gens prêts à aider, l'équipe prend la route alors que Booker préférant la jouer solo part de son côté. Arrivée au village, l'équipe découvre un groupe de femmes, Pilar (Amanda Ooms) explique la situation : les Sangs ont débarqué, ils promettaient un bon travail bien payé, une partie des hommes du village ont été emmenés, puis les Sangs sont revenus à plusieurs reprises pour chercher les derniers hommes ainsi que quelques enfants, en promettant que ceux déjà partis reviendront quand les nouveaux auront pris le relais, mais jamais personne n'est revenu, et le mensonge des Sangs n'a épargné aucun village de la région. Les femmes encore présentes font le maximum pour cacher les derniers enfants restant, mais elles savent aussi que leur temps de résistance est bientôt fini. Estimant qu'il a son propre problème avec les Sangs, Ross ne souhaite pas aider le village avant de changer d'avis. Un groupe de Sangs finit par débarquer au village, et les hommes de Ross les repoussent dans le sang, puis partent faire un rapide repérage de la mine où les 5 tonnes de plutonium ont été trouvées et chargées. Vilain ordonne qu'on supprime les villageois avant de quitter les lieux, pendant que les Expendables attaquent l'extérieur puis foncent à l'intérieur de la mine avec leur avion, et enfin arme à la main sauvent les villageois, mais très vite des explosions se font entendre, et tout le monde se retrouve prisonnier dans la mine. Quelques instants après une tentative de libération ratée de Jensen, Trench les libère avec un engin de chantier. Tout le monde sort de la mine, Pilar retrouve mari et enfants tout en remerciant Ross, ce dernier et Trench sont rapidement rejoints par Chapelle prêt à s'investir sur le terrain. Le prochain objectif : l'aéroport pour arrêter Vilain.
Avec l'aide des hélicoptères militaires, le groupe de Ross, Trench et Chapelle arrivent à l'aéroport en premier, à l'arrivée des Sangs une fusillade éclate sur le parking. Vilain veut gagner du temps pour permettre à ses sbires de charger le plutonium dans les avions, et une seconde fusillade éclate à l'intérieur de l'aéroport, le trio Ross, Trench et Chapelle attaquent au rez-de-chaussée pendant que les autres s'occupent de l'étage, Booker fait son retour, Vilain et Hector finissent par prendre la fuite, puis se séparent rapidement. Dans un hangar, Hector est dans un hélicoptère prêt à décoller mais Christmas intervient, un violent combat éclate entre les deux, à mains nues, puis avec couteau et poings américains, au final Christmas envoie la tête d'Hector se faire broyer par l'hélice arrière de l'hélicoptère. Pendant ce temps-là, dans un coin fermé d'un autre hangar Ross a rattrapé Vilain, et un nouveau combat violent éclate, Ross cogne avec une rage extrême mais Vilain est toujours debout et nargue même son adversaire au sujet de Billy. Ross parvient finalement à immobiliser la tête de Vilain dans une chaîne puis le poignarde profondément dans le ventre avec la lame qui a tué Billy. La bataille est terminée, Maggie, Booker, Trench et Chapelle partent ensemble à bord d'un hélicoptère militaire après un au-revoir à Ross. À Paris, Sophie reçoit un colis avec de l'argent, la lettre de Billy, ainsi qu'une photo de celui-ci, pendant que Ross et ses hommes rendent un dernier hommage au jeune défunt en chantant et en trinquant à bord de leur nouvel avion.