Nel 965 d.C., i potenti Frost Giants minacciarono la Terra e la spinsero verso una devastante era glaciale. L'umanità lottò valorosamente contro la minaccia e, con l'aiuto degli Asgardiani — guidati dal loro potente re Odin (Anthony Hopkins) — sconfisse i Frost Giants e riportò la pace nell'universo. Con la fonte del potere dei Frost Giants ben custodita nel profondo di Asgard, la minaccia della guerra non incombeva più sull'universo, e solo una palese tradimento avrebbe potuto nuovamente portare le due fazioni sull'orlo del disastro. Anni dopo, con Odin destinato a elevare suo figlio Thor (Chris Hemsworth) a re di Asgard, i Frost Giants infiltrano Asgard e massacrano diversi dei suoi guerrieri più valorosi. Thor, suo fratello Loki (Tom Hiddleston) e un gruppo selezionato dei più potenti guerrieri di Asgard — senza l'approvazione del re ancora presente Odin — si recano sul mondo natale dei Frost Giants, Jotunheim, per sbarazzarsene una volta per tutte. Incapaci di ottenere una vittoria totale e i Frost Giants riluttanti ad accettare una tregua nientemeno che da Odin stesso, gli Asgardiani vengono spinti via prima che possa scoppiar ulteriore sangue. Un inferocito Odin rinuncia ai poteri di Thor e manda il suo figlio ora mortale in esilio sulla Terra. Fortunatamente, il suo potente martello, Mjolnir, lo accompagna, ma è stato incantato in modo che solo un uomo degno di impugnarne la forza possa portarlo. Mentre Thor tenta di abituarsi al suo nuovo hogar e ai poteri limitati, viene amico di una fisica teorica di nome Jane Foster (Natalie Portman) che scopre ed esperimenta più di quanto avesse mai sognato quando vengono rivelati i veri spostamenti e i potenziali poteri di Thor. Ora, con loschi informatori governativi alle calcagna, Thor deve dimostrare di essere degno di impugnare l'arma più potente dell'universo, tutto while la sua casa, il pianeta di Asgard, pende sull'equilibrio poiché una lotta di potere minaccia la stabilità dell'intero universo.