Une guerre est menée entre les géants de glace et la patrie de Thor (Chris Hemsworth). Loki (Tom Hiddleston) se bat pour son droit au trône. Thor est banni d'Asgard par son père Odin (Sir Anthony Hopkins) et envoyé sur Midgard (Terre) comme punition pour son arrogance et sa désobéissance dans sa bataille. Il perd ses pouvoirs du marteau jusqu'à ce qu'il lui soit rendu sur Terre et qu'il le tire du sol. Dans sa lutte pour sa propre liberté sur Terre, il rencontre la scientifique Jane Foster (Natalie Portman) et tombe amoureux d'elle. Thor affronte ensuite les forces maléfiques de son frère Loki ainsi qu'un géant destructeur robotique qui attaque une ville.