I år In 965 e.Kr., trusselen fra de mektige Frost Giants truet Jorden og skjøv henne mot en ødeleggende istid. Menneskeheten kjempet tappert mot trusselen og, med hjelp av Asgårdianerne — ledet av den mektige kong Odin (Anthony Hopkins) — beseiret Frost Giants og gjenopprettet freden i universet. Med Frost Giants' kilde til makt trygt gjemt dypt i Asgård, truende krigen ikke lenger hvilte over universet, og bare åpenlys forræderi kunne en gang til bringe de to sidene til randen av katastrofe. År senere, med Odin klar til å opphøye sin sønn Thor (Chris Hemsworth) til konge av Asgård, infiltrerer Frost Giants Asgård og myrder flere av de ypperste. Thor, hans bror Loki (Tom Hiddleston), og en utvalgt gruppe av Asgårds mektigste krigere — uten fortsatt kong Odin’s velsignelse — reiser til Frost Giants’ hjemverd av Jotunheim for å slå dem ut en gang for alle. Ute av stand til å sikre total seier og Frost Giants uvillige til å akseptere våpenhvile fra ingen annen enn Odin selv, blir Asgårdianerne tatt bort før mer blod kan bli utøst. En rasende Odin fratar Thor hans krefter og sender sin nå dødelige sønn i eksil på Jorden. Heldigvis følger hans mektige hammer, Mjolnir, med ham, men den er besatt slik at bare en mann som er verdig til å bære dens styrke kan bære den. Når Thor prøver å tilvenne seg sitt nye hjem og sine begrensede krefter, blir han venn med en astrofysiker ved navn Jane Foster (Natalie Portman) som lærer og opplever mer enn hun noen gang har drømt om når Thors sanne oppholdssted og potensielle krefter blir avslørt. Nå, med skyggefulle regjeringssnikene på sporet, må Thor bevise seg verdig til å bære universets mektigste våpen, samtidig som hans hjemverden Asgård henger i balanse mens et maktspill truer stabiliteten til hele universet.