Mesmo com quatro indicações ao Oscar, o papel mais marcante na carreira de Mark Ruffalo é como Bruce Banner / Hulk no Universo Cinematográfico Marvel. O ator fez sua estreia na franquia de super-heróis em Os Vingadores (2012) e descobriu que iria interpretar o querido personagem de uma maneira um tanto quanto inusitada.
Quem interpretou originalmente Bruce Banner / Hulk no MCU foi Edward Norton em O Incrível Hulk (2008). No primeiro crossover da franquia em Os Vingadores lançado em 2012, o ator deveria retornar como o personagem, mas as negociações com a Marvel não deram certo e o papel acabou sendo reformulado, com Mark Ruffalo escalado.
No livro MCU: The Reign of Marvel Studios (via Collider), é revelado que Mark Ruffalo estava entre os cotados para o papel em O Incrível Hulk, mas Edward Norton acabou sendo escolhido por ser mais famoso. Mas, depois que o ator deixou o papel da Marvel, ele foi o favorito do diretor Joss Whedon para interpretar o personagem em Os Vingadores.
Whedon deu secretamente a Ruffalo páginas do roteiro que envolvia Bruce Banner. Depois de ter gostado do que leu, o ator ligou para Edward Norton e "recebeu sua bênção" para aceitar o papel da Marvel. O problema é que o elenco completo de Os Vingadores seria anunciado e apresentado na San Diego Comic-Con 2010, mas até a véspera do evento os representantes de Mark Ruffalo e da Marvel ainda não tinham fechado um acordo.
Desta forma, Ruffalo recebeu um telefonema de seu agente lhe dizendo para "olhar pela janela às cinco da manhã. Se houver um carro lá, você conseguiu o papel. Se não houver, volte para a cama". Quando o ator acordou na manhã seguinte, uma limusine estava à sua espera e o levou até um avião para San Diego, na Califórnia, onde ele subiu ao palco da SDCC 2010 ao lado do elenco de Os Vingadores, que seria um marco nos cinemas.
Loki (Tom Hiddleston) retorna à Terra enviado pelos chitauri, uma raça alienígena que pretende dominar os humanos. Com a promessa de que será o soberano do planeta, ele rouba o cubo cósmico dentro de instalações da S.H.I.E.L.D. e, com isso, adquire grandes poderes. Loki os usa para controlar o dr. Erik Selvig (Stellan Skarsgard) e Clint Barton/Gavião Arqueiro (Jeremy Renner), que passam a trabalhar para ele. No intuito de contê-los, Nick Fury (Samuel L. Jackson) convoca um grupo de pessoas com grandes habilidades, mas que jamais haviam trabalhado juntas: Tony Stark/Homem de Ferro (Robert Downey Jr.), Steve Rogers/Capitão América (Chris Evans), Thor (Chris Hemsworth), Bruce Banner/Hulk (Mark Ruffalo) e Natasha Romanoff/Viúva Negra (Scarlett Johansson). Só que, apesar do grande perigo que a Terra corre, não é tão simples assim conter o ego e os interesses de cada um deles para que possam agir em grupo.