Em 965 D.C., Odin (Anthony Hopkins), rei de Asgard, declara guerra aos Gigantes de Gelo de Jotunheim e seu líder Laufey (Colm Feore), para os impedir de conquistar os nove reinos, começando com a Terra. Os guerreiros Asgardianos derrotam os Gigantes de Gelo e conseguem pegar a fonte do seu poder, uma caixa de gelo.

No presente, o filho de Odin Thor (Chris Hemsworth) se prepara para ascender ao trono de Asgard, mas é interrompido quando os Gigantes de Gelo tentam recuperar a caixa. Contra a ordem de Odin, Thor viaja para Jotunheim para enfrentar Laufey, acompanhado por seu irmão Loki (Tom Hiddleston), sua amiga de infância Sif (Jaimie Alexander) e os Três Guerreiros Volstagg (Ray Stevenson), Fandral (Joshua Dallas) e Hogun (Tadanobu Asano). Uma batalha acontece até Odin interver para salvar os Asgardianos, destruindo a frágil trégua entre as duas raças. Devido a arrogância de Thor, Odin tira todo o poder divino de Thor e bani para a Terra como um mortal. acompanhado de seu martelo Mjolnir (a fonte de seu poder), agora protegido por um encantamento para permitir que apenas os dignos possam empunhá-la.

Thor, agora em Terra do Novo México, onde a astrofísica Jane Foster (Natalie Portman), sua assistente Darcy Lewis (Kat Dennings) e o mentor Dr. Erik Selvig (Stellan Skarsgård), encontram-o. A população local encontra Mjolnir. Pouco antes o agente da S.H.I.E.L.D. Phil Coulson (Clark Gregg) confisca as aquisições de dados de Jane sobre o buraco de minhoca que trouxe Thor para a Terra. Thor, tendo descoberto a localização de Mjolnir, procura recuperá-la a partir da instalação que a SHIELD rapidamente construiu, mas ele se encontra incapaz de levantá-lo, e é capturado. Com a ajuda de Selvig, ele é libertado e se resigna ao exílio na Terra, bem como desenvolve um romance com Jane.

Loki descobre que é filho Laufey, que foi adotado por Odin depois que a guerra terminou. Odin, dominado pelo estresse da descoberta de Loki e o banimento de Thor, entra em um estado de sono profundo que irá lhe permitir recuperar-se. Loki se torna rei e oferece a Laufey a chance de matar Odin e recuperar a caixa.

Sif e os Três Guerreiros, infelizes com a regra de Loki, tentam resgatar Thor de seu exílio, convencendo Heimdall (Idris Elba), guardião do Bifröst - o meio de viajar entre os mundos - para permitir a passagem para a Terra. Consciente do seu plano, Loki envia o Destruidor, um robô aparentemente indestrutível, para persegui-los e matar Thor. Os guerreiros encontram Thor, mas o Destruidor os encontra e os derrota, fazendo Thor oferecer sua própria vida para que os outros possam se afastar em segurança. Derrotado pelo Destruidor e próximo da morte, o sacrifício de Thor prova-lo digno de empunhar Mjolnir. O martelo retorna a ele, devolvendo o seus poderes e habilitando-o para derrotar o Destruidor. Thor se despede de Jane com um beijo e promete voltar antes de voltar para Asgard com os guerreiros Asgardianos para derrotar Loki.

Em Asgard, Loki trai e mata Laufey, revelando o seu verdadeiro plano de usar a tentativa de Laufey sobre a vida de Odin como uma desculpa para destruir Jotunheim com a ponte Bifrost, provando-se digno de seu pai. Thor chega e luta com Loki antes de destruir a Ponte Bifröst para parar o plano de Loki, prendendo-o em Asgard. Odin acorda e impede os irmãos de cair no abismo criado na esteira da destruição da ponte, mas Loki permite-se cair. Thor faz as pazes com Odin, admitindo que ele não está pronto para ser rei, enquanto na Terra, Jane e sua equipe buscam uma maneira de abrir um portal para Asgard.

Em uma cena pós-créditos, Selvig foi levado para uma instalação SHIELD, onde Nick Fury (Samuel L. Jackson) abre uma maleta e pede-lhe para estudar um objeto misterioso, que Fury diz que têm um poder incalculável. Um Loki invísivel ordena que Selvig concorde, e Selvig faz.