In het jaar In 965 n.Chr. dreigden de machtige Frost Giants de Aarde te vernietigen en duwden hen richting een verwoestende ijstijd. De mensheid vocht moedig tegen de dreiging en, met de hulp van de Asgardians -- geleid door hun machtige koning Odin (Anthony Hopkins) -- versloegen de Frost Giants en herstelden de vrede in het universum. Met de Frost Giants' bron van macht veilig opgeborgen diep in Asgard, dreigde de oorlog geen rol meer te spelen in het universum, en kon slechts flagrante verraad de twee zijden opnieuw tot aan de afgrond brengen. Jaren later, terwijl Odin op het punt staat zijn zoon Thor (Chris Hemsworth) tot koning van Asgard te verheffen, infiltreren de Frost Giants Asgard en slachten ze meerdere van haar besten. Thor, zijn broer Loki (Tom Hiddleston), en een selecte groep van Asgard's machtigste krijgers -- zonder de zegen van nog steeds reizende koning Odin -- reizen naar de Frost Giants' thuiswereld Jotunheim om ze voor eens en altijd uit te schakelen. Niet in staat om totale overwinning te claimen en de Frost Giants niet bereid tot een wapenstilstand van niemand minder dan Odin zelf, worden de Asgards weggevoerd voordat er nog meer bloed kan vloeien. Een woedende Odin onttrekt Thor zijn krachten en stuurt zijn nu sterveling geworden zoon in ballingschap op Aarde. Gelukkig vergezelde zijn machtige hamer, Mjolnir, hem, maar deze is betoverd zodat alleen een mens die waardig is om zijn kracht te dragen, deze kan dragen. Terwijl Thor probeert zich aan te passen aan zijn nieuwe thuis en beperkte krachten, wordt hij bevriend met een astrofysicus genaamd Jane Foster (Natalie Portman) die meer leert en meemaakt dan ze ooit had durven dromen wanneer Thor's ware verblijfplaats en potentiele krachten aan het licht komen. Nu, met schimmige overheidsfiguren op hun hielen, moet Thor zichzelf als waardig bewijzen om het universums krachtigste wapen te dragen, terwijl zijn thuisplaneet Asgard op het spel staat terwijl een machtstrijd de stabiliteit van het hele universum bedreigt.