公元965年，來自約頓海姆的寒冰巨人進攻地球挪威滕斯貝格，將所侵略之處全部冰封，直到眾神之父奧丁率領著阿斯嘉軍隊將之消滅並打退回約頓海姆。奧丁將約頓海姆的神力能源「寒冰之盒」帶走，與剩餘的軍隊返回阿斯嘉。於大戰結束的幾年後，奧丁將故事告訴他珍愛的兩個兒子索爾與洛基，告知他們之中只有一人能繼承王位。

在現今，操縱雷神之鎚的索爾即將接替父親的王位，但在加冕儀式時，三個寒冰巨人闖進地下寶庫打算奪回寒冰之盒，最後集體被寶庫的防禦戰士毀滅者殺死。因儀式中止而沒能當上國王的索爾為此滿腔怒火，帶領洛基與戰友希芙、沃斯塔格、范達爾及後剛，搭乘彩虹橋到約頓海姆大開殺戒。寒冰巨人之王勞菲目睹索爾的言行後決定再次發動戰爭，奧丁及時趕來將索爾一行人救回阿斯嘉。由於索爾還是執迷不悟，奧丁對他感到失望，於是剝奪索爾的神力後用彩虹橋將他驅逐出去，同時對鎚子下魔咒：「無論是誰拿到此鎚，只要他夠資格，就能繼承雷神的能力」。

索爾被傳送到地球美國新墨西哥州的沙漠地區，剛好被一輛探索天文學的汽車撞到，車上的女粒子物理學家珍‧福斯特與她的兩位同伴艾瑞克‧賽維格與黛絲‧露伊絲立刻下車將他送醫。索爾在當地醫院鬧事引發騷亂，而珍因為發現索爾的身影出現在拍到的極光照片裡，便將他收留至自己的住處。另一方面，鎚子被奧丁一起扔至地球後墜落在山丘另一頭，小鎮居民們試圖搬動鎚子卻始終紋絲不動，但以菲爾‧考森為首的神盾局隊伍馬上過來接手局勢。在索爾被驅逐出去不久，洛基經過之前的戰鬥察覺自己其實是一個寒冰巨人混血，質問奧丁才讓他承認洛基是當初在戰爭結束後、在約頓海姆神廟中所救的寒冰巨人嬰兒，是勞菲的親生兒子。無法接受事實的洛基懷疑從小永遠比不過索爾是因為父母的偏見，而奧丁因為承受的壓力過大而昏倒，洛基也瞬間當上阿斯嘉國王而掌控一切。

索爾在地球受到珍的照顧，聽到鎮民們談到鎚子的事情後決定去該處拿。珍得知她住處所有實驗儀器和文件都被考森等神盾局人員查扣後，因為研究被奪走而只好和找交通工具的索爾達成共識。夜裡，索爾闖進神盾局圍成的隔離堡壘中，打敗數名探員後觸摸到鎚子，但卻因還未符合資格而無法拿起來，最後長嘯一聲後遭到收押。洛基以隱形狀態來到被關押的索爾面前，謊稱奧丁已去世而讓索爾死心。茫然無措的索爾最終被艾瑞克協助釋放，離開前索爾偷偷拿回珍的重要筆記本作為答謝，並告訴她有關阿斯嘉的事情。沃斯塔格等人為了接回索爾而決定私自行事，受到彩虹橋看守者海姆達爾的秘密協助傳送到地球，遇到索爾後解釋洛基撒謊等事情。洛基為了阻止哥哥回歸而派出毀滅者到達地球，任由它開始破壞小鎮，索爾為了拯救眾人而被它打到重傷昏死。

由於索爾肯為同袍和其他人犧牲性命，使他重獲拿起鎚子的資格，而坑中的鎚子一瞬間脫離地面並直接飛向索爾，拿回鎚子的索爾立刻清醒、恢復戰甲和操縱雷電能力，將毀滅者直接打成碎片。索爾將趕到的考森列為盟友，命令他歸還珍的所有實驗儀器。在搭乘彩虹橋回去前，索爾向珍承諾他一定會回來。這時，洛基和勞菲達成共識而帶他來到阿斯嘉，假裝讓他去殺奧丁，卻在最後一刻背叛並殺死勞菲，表示這才是他的真正計謀。洛基隨後通過彩虹橋向約頓海姆發起進攻，一心想證明自己比哥哥索爾更強大，索爾回去後發現無力阻止，便忍痛用鎚子將彩虹橋砸毀。彩虹橋的毀滅形成萬丈深淵，奧丁這時清醒救下他們兄弟倆，但因為失敗而絕望的洛基則自願放手掉進深淵裡。而在地球的珍發現橋樑消失後，便和黛絲和艾瑞克失望地離開現場。

經過此事成為真正英雄的索爾被父親讚揚，但因前往地球的道路彩虹橋已斷而傷心不已。海姆達爾告知索爾不要放棄希望，告知他說珍在地球上依然在利用儀器全力搜尋他。在片尾彩蛋片段中，賽維格被神盾局局長尼克‧福瑞召到神盾局總部，解釋自己看上他的知識而希望能讓他入伍，為他展示一個封存已久且擁有永恆能量的神物「宇宙魔方」。這時，倖存的洛基以隱形狀態來到賽維格身旁，操縱他說著「看樣子這值得一看」。