雷神索爾自從蘇科維亞戰役後於宇宙各地尋找無限寶石，但在兩年下來一無所獲，如今還困在穆斯貝爾海姆變成火焰惡魔「蘇爾特爾」的囚徒。蘇爾特爾供述奧丁已不在阿斯嘉王國，而牠很快也將實現王國毀滅之預言「諸神黃昏」，其頭冠一旦和阿斯嘉寶庫收藏的永恆之焰結合就會有能力實現。索爾得到想要資訊後立刻打敗蘇爾特爾並取得其頭冠，認為他已阻止諸神黃昏而返回阿斯嘉。

如同蘇爾特爾供述，索爾識破在阿斯嘉悠閒自在的奧丁實為洛基假扮，兩兄弟通過彩虹橋來到地球紐約尋找父親。守護紐約的魔法師史蒂芬‧史傳奇協助他們到達奧丁所在的挪威的海峽邊際，但奧丁解釋他已臨終將近，將會失去繼續囚禁他的邪惡長女海拉的能力。海拉曾經是阿斯嘉軍隊領袖，和父親奧丁並肩作戰並通過長年累月的殺生來統治九界，但由於海拉無止境的野心和邪念，迫使奧丁將她以封印形式囚禁並抹去其歷史。奧丁將遺願交代清楚後與世長辭，海拉一瞬間脫離囚禁來到他們面前，甚至親手握碎索爾的雷神之鎚。兩兄弟通過彩虹橋撤離期間，尾隨在後的海拉將他們倆均趕出橋樑，她隨後入侵阿斯嘉殺光所有阻擋她的衛兵，包括戰士三人組；通過永恆之焰復活她的死去衛士以及她的坐騎芬瑞斯狼，將唯一對她跪下的戰士史克吉任命她的劊子手。

索爾墜落至一個蟲洞圍繞的垃圾星球「薩卡星」，被一名代號「拾荒者142號」的瓦爾基麗抓獲賣給星球統治者宗師，索爾注意到比他先到的洛基已經和宗師打好關係。索爾還注意到瓦爾基麗是一名前阿斯嘉傳奇女武神之一，但她於很久以前和海拉的戰鬥中被打敗，目睹戰友全軍覆沒後便來到這裡借酒澆愁並賣奴為生。索爾被迫加入宗師的角鬥場冠軍戰以換取自由，改變形象成為角鬥士，但面對的對手卻是昔日戰友浩克。索爾無法說通浩克後與他一戰，過程中浮現奧丁的幻覺後一度釋出體內的雷電之力，即將贏得比賽之際卻因宗師作弊而打輸。在阿斯嘉，遭流亡在外的海姆達爾及時偷走開啟彩虹橋的神劍，暫時阻止海拉靠彩虹橋擴張領域，他還秘密將阿斯嘉城民慢慢疏散至秘密要塞中躲避。索爾通過呼喚聯絡上海姆達爾，其指引索爾要靠薩卡星最大的蟲洞來快速返回阿斯嘉。

因為浩克和瓦爾基麗均心灰意冷，索爾決定靠自己返鄉，剛要啟動浩克到達薩卡星的昆式戰機時，浩克衝進來想讓他留下，但索爾播放戰機裡保留的娜塔莎‧羅曼諾夫的錄像，才喚回浩克的回憶並恢復成布魯斯‧班納，這也是他自從蘇科維亞戰役以來首次恢復人形。瓦爾基麗和洛基受宗師之令抓回索爾和浩克時，兩人互看不順眼之下發生打鬥，但洛基在瓦爾基麗腦中重現她打敗仗當天的痛苦回憶，這也讓她醒悟並答應協助索爾，洛基也建議偷宗師的船來穿越蟲洞。索爾釋出一群以寇格為首的角鬥士們在薩卡星引發起義，趁機偷宗師的一艘艦船逃離，並扔下企圖再次背叛他的洛基，但洛基隨後被寇格一夥找到。索爾、班納和瓦爾基麗成功穿越蟲洞返鄉，而海姆達爾與所有城民在彩虹橋上被海拉的軍隊兩面夾擊，班納再次變成浩克打敗芬瑞斯，瓦爾基麗換回女武神戰甲對抗敵人。

索爾一人於王宮對抗海拉時，洛基帶領寇格一夥搭乘一艘大型艦船，回到阿斯嘉並肩作戰以及疏散城民。在敵人勢不可擋之下，決心贖罪的史克吉手持兩把突擊步槍掩護艦船離開，這同時也犧牲他自己。索爾對戰時被海拉刺瞎右眼，在輸之際再度浮現奧丁的幻象，得知只有引發諸神黃昏才能徹底擊敗海拉。索爾成功引導出體內的雷電之力抵抗海拉，讓洛基趁機到寶庫靠永恆之焰復活蘇爾特爾，並讓牠變成巨人開始大肆破壞阿斯嘉，海拉試圖阻止蘇爾特爾，最後被牠一劍刺下來殺死。索爾等人集體搭上船撤離後，隨著蘇爾特爾一劍刺向地底核心，眾人目睹阿斯嘉毀於一旦。

索爾最後決定將奧丁於地球安息的挪威海峽作為新居地，如今當之無愧成為新國王，帶領他們航向地球。但航行途中，他們面前遇到一艘還要大數十倍的神秘船體。在薩卡星，宗師最終在人民起義勝利之下被推翻，如今一無所有的他只能對周圍的人們希望這次能以平手收場。