No ano de 965 d.C., os poderosos Gigantes de Gelo ameaçaram a Terra e a empurraram para uma devastadora era do gelo. A humanidade lutou bravamente contra a ameaça e, com a ajuda dos asgardianos — liderados por seu poderoso rei Odin (Anthony Hopkins) — derrotaram os Gigantes de Gelo e restauraram a paz no universo. Com a fonte de poder dos Gigantes de Gelo cuidadosamente guardada no profundo de Asgard, a ameaça de guerra já não pairava sobre o universo, e apenas traição descarada poderia, novamente, levar os dois lados à beira do desastre. Anos mais tarde, com Odin prestes a elevar seu filho Thor (Chris Hemsworth) ao trono de Asgard, os Gigantes de Gelo se infiltram em Asgard e massacram vários de seus melhores guerreiros. Thor, seu irmão Loki (Tom Hiddleston) e um seleto grupo dos guerreiros mais poderosos de Asgard — sem a bênção do ainda-rei Odin — viajam para o mundo natal dos Gigantes de Gelo, Jotunheim, para derrotá-los de uma vez por todas. Incapazes de obter vitória total e os Gigantes de Gelo relutantes em aceitar uma trégua de ninguém menos que Odin, os asgardianos são arrebatados antes que mais sangue seja derramado. Um Odin furioso retira o poder de Thor e envia seu filho agora mortal para o exílio na Terra. Felizmente, seu poderoso martelo, Mjolnir, o acompanha, mas foi encantado para que somente um homem digno de empunhar sua força possa carregá-lo. Enquanto Thor tenta se acostumar com seu novo lar e seus poderes limitados, ele faz amizade com uma astrofísica chamada Jane Foster (Natalie Portman), que aprende e vivencia mais do que jamais sonhou quando os verdadeiros paradeiro e potenciais poderes de Thor são revelados. Agora, com agentes sombrios do governo em seu rastro, Thor precisa provar que é digno de empunhar a arma mais poderosa do universo, enquanto seu planeta natal, Asgard, fica à beira de um conflito de poder que ameaça a estabilidade de todo o universo.