El universo está dividido en 9 reinos, en la pelicula solo aparecen 3: Asgard donde viven los guerreros y hombres poderosos, Jötunheim donde viven los gigantes de hielo y Midgard donde vivimos nosotros.
Hace mucho tiempo los gigantes de hielo comandados por su Rey Laufey trataron de destruir Midgard pero Odín (Anthony Hopkins) y los asgardianos lo impiden, derrotandolos y quitandoles la fuente de su poder.
Odín tiene dos hijos: Thor (Chris Hemsworth) y Loki (Tom Hiddleston), Thor es fuerte, impulsivo y amante de las batallas, Loki es mas tranquilo pero muy astuto.
El día de la coronación de Thor como Rey, los gigantes de hielo irrumpen en la armería para robarse la fuente de poder que antes les pertenecía, pero el destructor de metal los detiene, Thor insiste en que es una ofensa mayor y que deben viajar a Jötunheim a darles una lección definitiva a los gigantes de hielo, Odín lo reprende y niega su petición además de que postpone la coronación.
Thor enfurecido, convence a sus amigos y a Loki de que lo acompañen al Jötunheim a pelear contra los gigantes de hielo, Thor tiene unas palabras con Laufey pero es convencido por Loki de retirarse antes de comenzar una batalla, Laufey se burla de Thor y éste lo golpea con su mazo iniciando así una batalla, uno de sus amigos sale herido y tienen que huír. Al llegar a donde Heimdel (el guardía de la puerta y que todo lo ve) debería abrir la puerta se encuentran rodeados de gigantes de hielo, por lo que Odín inteviene y los salva.
Odín está furioso por la desobediencia de Thor y lo destierra enviandolo a la Tierra sin poderes, después envía su martillo con la frase “Aquel que sostenga este martillo, si es digno, obtendrá los poderes de Thor”.
En la tierra Thor conoce a Jane Foster (Natalie Portman) una linda investigadora que descubre el lugar dondé Thor cae y lo atropella.
S.H.I.E.L.D. llega al área de investigación de Jane y confisca todo su equipo y notas, mas tarde se darán cuenta de que la agencia se ha instalado al rededor del lugar en donde cayó el martillo. Thor se infiltra en la base y logra llegar hasta el martillo pero al intentar levantarlo nada ocurre, y lo atrapan.
Mientras está solo en el cuarto de interrogación Loki aparece para decirle que Odín a muerto debido a todos los problemas que se habían generado y que ahora él era el Rey de Asagard, Thor pregunta si puede volver pero Loki se lo niega argumentando que su madre lo prohibió. Loki se despide de Thor y éste le pide disculpas.
El cienífico Erick Selvig amigo de Jane va por él y lo saca de allí argumentando que era un buen chico bajo los efectos del alcohol, Antes de salir, Thor logra recuperar la libreta de apuntes de Jane.
Thor le explica a Jane que su investigación tiene sentido y no debe darse por vencida.
Los amigos de Thor van a buscarlo a la tierra para llevarlo de regreso para detener a Loki quien ha hecho un plan plan para que los gigantes de hielo maten a su padre. Al darse cuenta Loki envia al destructor de metal para acabar con ellos y de paso arrasa con el pequeño pueblo en el se encontraban. Al tener esfuerzos infructuosos Thor les pide que se vayan y que el se encargará de él. Thor habla con Loki para que perdone sus vidas a cambio de la suya, el destructor de metal acaba con Thor de un solo golpe y justo antes de morir su martillo atraviesa el desierto para regresarle sus poderes con los que destruye al destructor (valga la redundancia). Thor y sus amigos regresan a Asgard a detener a Loki, y llega justo a tiempo cuando Loki mata a Laufey para quedarse el credito como salvador de su padre. La batalla comienza mientras Loki intenta destruir Jötunheim con el poder del bifrost (el puente arcoíris entre los reinos) Thor al no tener mas opción destruye el puente sin posibilidad de volver a ver a Jane. Loki se pierde en la inmensidad del universo y Jane busca sin descansar para volver a ver a Thor.
En la escena después de los creditos encontramos a Selvig siendo llamado en una instalación por Nick Fury y le muestra el cubo cósmico, Odín aparece detrás de Selvig y parece ser que lo controla.
