Com Loki (Tom Hiddleston) aprisionado por crimes cometidos em Midgard e a paz e a ordem restauradas aos Nove Reinos, Thor (Chris Hemsworth) retorna triunfante a Asgard. Seu pai, Odin (Anthony Hopkins), vê em seu filho um digno sucessor; sua mãe, Frigga (Rene Russo), um garoto que finalmente se tornou homem; e seus companheiros — Lady Sif (Jamie Alexander), Volstagg (Ray Stevenson), Fandral (Zachary Levi) e Hogun (Tadanobu Asano) — um nobre guerreiro, amigo incansável e príncipe honrado. Mas a paz está mais uma vez ameaçada quando a Dra. Jane Foster (Natalie Portman) é possuída por uma arma energética sinistra chamada Aether, um elfo sombrio vingativo chamado Malekith (Christopher Eccleston) é acordado de uma hibernação no espaço profundo, ataca a capital asgardiana e deixa apenas morte e sofrimento em seu rastro. Determinado a salvar Jane do Aether e deter Malekith a qualquer custo, Thor obtém a ajuda de Sif, dos Warriors Three e do guardião do Bifrost Heimdall (Idris Elba), recruta e liberta seu irmão desonrado Loki, e parte em perseguição. Em outro lugar, na Terra, o Dr. Erik Selvig (Stellan Skarsgård) e a internsfeisty Darcy (Kat Dennings) começam a notar um alarmante aumento de fenômenos estranhos à medida que se aproximam de um evento batizado de Convergence; um alinhamento milenar dos Nove Reinos que Malekith planeja explorar para aniquilar tudo que existe.