En el año 965 d.C., los poderosos Gigantes de Hielo amenazaron la Tierra y la empujaron hacia una devastadora edad de hielo. La humanidad luchó valientemente contra la amenaza y, con la ayuda de los Aesir —dirigidos por su mighty rey Odin (Anthony Hopkins)— derrotaron a los Gigantes de Hielo y restauraron la paz al universo. Con la fuente de poder de los Gigantes de Hielo bien guardada en lo profundo de Asgard, la amenaza de guerra ya no pendía sobre el universo, y solo una traición flagrante podía volver a llevar a los dos bandos al borde del desastre. Años después, con Odin a punto de elevar a su hijo Thor (Chris Hemsworth) al trono de Asgard, los Gigantes de Hielo infiltran Asgard y masacran a varios de sus mejores guerreros. Thor, su hermano Loki (Tom Hiddleston) y un selecto grupo de los guerreros más poderosos de Asgard —sin la bendición del aún rey Odin— viajan al mundo natal de los Gigantes de Hielo, Jotunheim, para eliminarlos de una vez por todas. Incapaces de lograr la victoria total y con los Gigantes de Hielo reacios a aceptar una tregua de nadie más que Odin, los Asgardianos son arrebatados antes de que se derrame más sangre. Un enfurecido Odin despoja a Thor de sus poderes y envía a su ahora mortal hijo al exilio en la Tierra. Afortunadamente, su poderoso martillo, Mjolnir, lo acompaña, pero ha sido encantado para que solo un hombre digno de empuñar su fuerza pueda llevarlo. Mientras Thor intenta adaptarse a su nuevo hogar y a sus poderes limitados, entabla amistad con una astrofísica llamada Jane Foster (Natalie Portman), quien aprende y experimenta más de lo que jamás había soñado cuando se revelan el verdadero paradero de Thor y sus poderes potenciales. Ahora, con espías gubernamentales siniestras tras ellos, Thor debe demostrarse digno de empuñar el arma más poderosa del universo, mientras su planeta natal de Asgard pende de un hilo y una lucha de poder amenaza la estabilidad de todo el universo.