L'histoire débute sur l'enfance de Bruce Wayne qui fuit l'enterrement de ses parents (un flash-back montre l'assassinat des parents de ce dernier par un homme inconnu), puis tombe dans un ravin mais est ramené à la surface de la Terre par des chauve-souris. Des années plus tard, alors que Superman affronte le général Zod (événements vus dans le film Man of Steel) à Metropolis, Bruce essaye de sauver les personnes dans un bâtiment de Wayne Enterprises, mais son impuissance le fait s’inquiéter du devenir de la Terre avec Superman. Dix-huit mois plus tard, Clark se rend dans son costume de Superman en Afrique pour sauver Lois Lane. Lex Luthor, PDG de la multinationale Lexcorp, présente la kryptonite, un métal radioactif découvert dans les débris du vaisseau de terraformation kryptonien de l'océan Indien (événements vus dans le film Man of Steel) à un groupe de sénateurs. En effet, il veut en faire une arme de dissuasion contre Superman et obtient d'un sénateur la permission d'accéder au vaisseau kryptonien écrasé au centre de Metropolis et l'accès au corps du général Zod pour analyse. Clark Kent travaille comme journaliste au Daily Planet et cherche à obtenir des informations sur le Chevalier Noir. Lors d'une conférence de presse de Lex Luthor, Bruce Wayne et Clark Kent se rencontrent, mais alors que Wayne est en mission d'infiltration et essaie de récupérer une copie des données des serveurs informatiques de Luthor, Diana Prince lui subtilise les informations récoltées. Bruce Wayne se rend compte que Superman peut être un danger pour la nation en abusant de sa toute-puissance, tandis que Clark veut faire cesser les actions violentes de Batman.

Bruce Wayne mène l'enquête sur Diana Prince, qui finit par lui rendre les données, et découvre que la mystérieuse femme apparait sur une photo prise au cours de la Première Guerre mondiale en Belgique. Il obtient également des informations sur d'autres super-héros comme Flash, Aquaman et Cyborg. Un jour, Superman décide de se rendre au Sénat car un homme handicapé a tout perdu à cause de lui, mais une explosion se produit. Découvrant son laboratoire détruit par Batman qui a récupéré la kryptonite, Lex Luthor utilise, pour se venger, le cadavre du général Zod et lui donne un peu de son sang pour une expérience de régénération au sein du vaisseau kryptonien afin de le transformer en monstre du nom de Doomsday. Ayant deviné l'identité secrète de Superman, il capture la mère de Clark par le biais des hommes de main et fait chanter Superman en l'obligeant à affronter Batman dans un combat à mort. Superman retrouve Batman pour lui demander de l'aide, mais ce dernier l'oblige à l'affronter et un combat s'engage entre les deux super-héros. Batman parvient non sans mal à prendre l'avantage grâce à un gaz à base de kryptonite qui affaiblit Superman, mais quand celui-ci essaie de le prévenir de sauver Martha (Kent), Batman est perturbé, pensant qu'il fait allusion à Martha Wayne. Lois Lane arrive alors et explique la situation au justicier de Gotham. Réalisant son erreur, Batman décide d'aider Superman et les deux héros font équipe. Batman sauve Martha Kent pendant que Superman va retrouver Luthor, mais Doomsday surgit brusquement et attaque Metropolis. Batman et Superman l'affrontent, et sont rejoints par Wonder Woman. Comprenant que la solution est la kryptonite, Batman l'utilise une première fois sur Doomsday mais Superman l'utilise aussi. Malheureusement, après avoir frappé Doomsday avec, Superman se fait transpercer la poitrine et meurt sur le coup.

Le lendemain de l'annonce de la mort de Superman, l'enterrement de Clark Kent se déroule et toute la ville de Metropolis rend hommage à Superman. Bruce Wayne demande alors de l'aide à Diana Prince pour retrouver leurs semblables méta-humains afin qu'ils soient prêts à se battre en vue d'une future menace anticipée par Bruce. Le film s'achève sur la terre lancée par Lois Lane sur le cercueil de Clark qui s'élève dans les airs...