A trama de Vingadores: Ultimato é praticamente uma grande referência. Para recuperar as Joias dos Infinitos, os heróis voltam no tempo para eventos dos filmes anteriores, a fim de recuperar os artefatos: Os Vingadores (2012), Thor: O Mundo Sombrio (2013) e Guardiões da Galáxia (2014), provocando a recriação de diversas cenas desses filmes.
Como temos viagem no tempo no meio, claro que teremos referências a clássicos do gênero. O Exterminador do Futuro e Bill & Ted são alguns dos exemplos citados, mas De Volta para o Futuro ganha mais destaque, justamente quando Stark explica que não é o mesmo tipo de viagem no tempo. Aliás, o próprio conceito narrativo de se visitar o filme anterior é algo tirado diretamente de De Volta para o Futuro 2.
Apenas uma das muitas referências que aparecem durante o filme, mas foi em cheio. Ao ver o estado deplorável de Thor, agora gordo e com barba de mendigo, Stark refere-se a ele como Lebowski – especialmente pelo Deus do Trovão usar um óculos similar.
Sentiu falta dos grandes alívios cômicos de Thor: Ragnarok? Korg e Mieke reaparecem na casa de Thor em Nova Asgard. Interpretado novamente pelo diretor Taika Waititi, Kong passa sua cena jogando videogame na “caverna” de Thor.
Durante a viagem no tempo para a Nova York de 2012, Hulk fica encarregado de recuperar a Joia do Tempo. Eis que Tilda Swinton reprisa seu papel como a Anciã, protegendo o Sanctum de Greenwhich Village da invasão Chitauri. Como Strange só se tornaria um Mago alguns anos depois, a Anciã guarda a Joia, e até retira Banner do Hulk em sua forma de projeção astral.