勇敢善战雷神托尔（克里斯•海姆斯沃斯ChrisHemsworth饰），作为永恒境界阿斯加德的王位继承人，受人敬仰。然而由于一次鲁莽的行动，险些挑起一场古老的战争，因此被父亲天神奥丁（安东尼•霍普金斯AnthonyHopkins饰）流放到人间。托尔在人间认识了美丽的女科学家珍•福斯特（娜塔莉•波特曼NataliePortman饰）和她的工作伙伴，在他们的帮助下，托尔找到了和自己一起被贬的雷神之锤，但此时的雷神之锤并不属于他。此间，托尔的弟弟洛基为了成为阿斯加德的王，居然联合寒冰巨人，企图在永恒境界掀起一场腥风血雨。为了维持永恒之界的法度，托尔的四位朋友也来到人间，他们决定带托尔返回永恒之境。此时，为了阻止雷神重归永恒境界，洛基派出巨人杀死托尔。丧失能力和法战的托尔为了保护无辜的人类与自己的朋友，献出了自己的生命。托尔的死打破了天神的的咒语，托尔复活并重获雷神之力战胜巨人。此时，天神生命危在旦夕，托尔必须与自己的朋友们重返永恒之界，维护那里的法度……本片改编自传奇漫画家搭档斯坦•李（StanLee）和杰克•科比（JackKirby）于1962年推出《雷神》连载漫画。

公元 965 年，阿斯加德国王奥丁向约顿海姆的冰霜巨人及其首领劳菲发动战争，阻止他们从地球开始征服九界。阿斯加德战士在挪威滕斯贝格击败了冰霜巨人，并夺取了他们力量的源泉——远古冬之棺。

现在，[b]奥丁的儿子托尔准备登上阿斯加德的王位，但当冰霜巨人在他的兄弟洛基的秘密允许下试图取回棺材时被打断。托尔不顾奥丁的命令，前往尤顿海姆与劳菲对峙，同行的还有洛基、儿时好友希芙以及三勇士：沃尔斯塔格、范达尔和霍根。一场战斗随之而来，直到奥丁介入拯救阿斯加德人，破坏了两个种族之间脆弱的休战。由于托尔的傲慢，奥丁剥夺了他儿子的神力，并将他作为凡人流放到地球，并伴随着他的锤子雷神锤，现在受到结界的保护，只有值得的人才能使用它。

托尔降落在新墨西哥州，天体物理学家简·福斯特博士、她的助手达西·刘易斯和导师埃里克·塞尔维格博士在那里找到了他。当地民众发现了雷神锤，神盾局特工菲尔·科尔森很快就占领了它，然后强行获取了福斯特关于将雷神传送到地球的虫洞的数据。托尔发现雷神锤附近的位置后，试图从神盾局建造的设施中取回它，但他发现自己无法举起它并被捕获。在塞尔维格的帮助下，他获得了自由，并辞去流放地球的职务，并与福斯特发展了一段恋情。

洛基发现他是劳菲的亲生儿子，战争结束后被奥丁收养。洛基与奥丁对峙，奥丁疲倦地陷入“奥丁之眠”以恢复体力。洛基取代奥丁登上王位，并为劳菲提供了杀死奥丁并取回棺材的机会。西芙和三勇士对洛基的统治感到不满，试图将托尔从流亡中带回，并说服了比弗罗斯特（ Bifröst） （跨世界旅行的交通工具）的看门人海姆达尔（Heimdall ）允许他们前往地球。意识到他们的计划后，洛基派出了毁灭者，一个看似坚不可摧的机器人，追捕他们并杀死托尔。战士们找到了托尔，但毁灭者攻击并击败了他们，促使托尔献出了自己。托尔被毁灭者击中并濒临死亡，他通过牺牲并挥舞雷神锤证明了自己的价值。锤子回到了他身边，恢复了他的力量，使他能够击败毁灭者。他与福斯特吻别并发誓要回来，然后与他的阿斯加德同胞一起离开去面对洛基。

在阿斯加德，洛基背叛并杀死了劳菲。托尔到来，洛基透露了他用比弗罗斯特桥摧毁尤顿海姆的计划。托尔与洛基战斗，然后摧毁了比弗罗斯特桥以阻止洛基的计划，将自己困在阿斯加德。奥丁醒来并阻止兄弟俩掉入桥梁毁坏后形成的深渊，但当奥丁拒绝他的批准请求时，洛基让自己坠落。洛基最终掉入虫洞并到达地球。托尔向奥丁赔罪，承认自己还没有准备好成为国王。与此同时，在地球上，福斯特和她的团队正在寻找打开阿斯加德门户的方法。

在片尾彩蛋的场景中，塞尔维格被带到神盾局的一处设施，尼克·弗瑞在那里打开一个公文包，要求他研究一个神秘的立方体形状的物体，[c]弗瑞说这个物体可能蕴藏着难以言喻的力量。隐形的洛基促使塞尔维格同意。