Med Loki (Tom Hiddleston) fengslet for forbrytelser begått i Midgard og fred og orden gjenopprettet i de ni Realms, vender Thor (Chris Hemsworth) triumferende tilbake til Asgård. Faren hans, Odin (Anthony Hopkins), ser i sønnen en verdig etterfølger; moren hans, Frigga (Rene Russo), en gutt som endelig har blitt en mann; og hans følgesvenner -- Lady Sif (Jamie Alexander), Volstagg (Ray Stevenson), Fandral (Zachary Levi) og Hogun (Tadanobu Asano) -- en edel kriger, en utrøttelig venn og en ærefull prins. Men freden trues igjen når Dr. Jane Foster (Natalie Portman) blir besatt av et ondskapsfullt energivåpen kalt Aether, en hevngjerrig Mørk Elv ved navn Malekith (Christopher Eccleston) vækkes fra dyp rom-søvn, angriper Asgårds hovedstad og etterlater bare død og sorg i kjølvannet. Fast bestemt på å redde Jane fra Aether og stoppe Malekith for enhver pris, tilkaller Thor Sif, Warriors Three og Bifrost-vokteren Heimdall (Idris Elba), rekrutterer og frigjør sin fiendtligst avdømte bror Loki, og legger ut på jakt. Annensteds på Jorden begynner Dr. Erik Selvig (Stellan Skarsgård) og den sprudlende praktikanten Darcy (Kat Dennings) å legge merke til en skremmende økning i merkelige fenomener når de nærmer seg en hendelse kalt Konvergensen; en en gang i millenniet-justert sammensmelting av de ni Realms Malekith planlegger å utnytte for å utslette alt som eksisterer.