En el año 965 d.C., Odín, rey de Asgard, libra una guerra contra los Gigantes de la Escarcha de Jotunheim y su líder Laufey, para evitar que conquisten los Nueve Reinos, empezando por la Tierra. Los guerreros asgardianos derrotan a los Gigantes de la Escarcha en Tønsberg, Noruega, y se apoderan de la fuente de su poder, el Cofre de los Inviernos Antiguos.

En el presente, el hijo de Odín, Thor, se prepara para ascender al trono de Asgard, pero se ve interrumpido cuando los Gigantes de la Escarcha, a los que su hermano Loki ha permitido entrar en secreto, intentan recuperar el Cofre. Contra la orden de Odín, Thor viaja a Jotunheim para enfrentarse a Laufey, acompañado por Loki, su amiga de la infancia Sif y los Tres Guerreros: Volstagg, Fandral y Hogun. Se produce una batalla hasta que Odín interviene para salvar a los asgardianos, destruyendo la frágil tregua entre las dos razas. Por la arrogancia de Thor, Odín despoja a su hijo de su poder divino y lo exilia a la Tierra como mortal, acompañado de su martillo Mjölnir, ahora protegido por un encantamiento que sólo permite a los dignos empuñarlo.

Thor aterriza en Nuevo México, donde lo encuentran la doctora astrofísica Jane Foster, su ayudante Darcy Lewis y su mentor, el doctor Erik Selvig. La población local encuentra el Mjolnir, que el agente de S.H.I.E.L.D. Phil Coulson no tarda en requisar antes de adquirir por la fuerza los datos de Foster sobre el agujero de gusano que trajo a Thor a la Tierra. Thor, tras descubrir la ubicación cercana de Mjolnir, intenta recuperarlo de la instalación que S.H.I.E.L.D. ha construido, pero se ve incapaz de levantarlo y es capturado. Con la ayuda de Selvig, es liberado y se resigna a exiliarse en la Tierra mientras desarrolla un romance con Foster.

Loki descubre que es el hijo biológico de Laufey, adoptado por Odín tras el fin de la guerra. Loki se enfrenta a Odín, que cae cansado en el profundo "Odinsueño" para recuperar sus fuerzas. Loki toma el trono en lugar de Odín y ofrece a Laufey la posibilidad de matar a Odín y recuperar el Cofre. Sif y los Tres Guerreros, descontentos con el gobierno de Loki, intentan devolver a Thor del exilio, convenciendo a Heimdall, guardián de la puerta del Bifröst -el medio para viajar entre mundos- de que les permita el paso a la Tierra. Enterado de su plan, Loki envía al Destructor, un autómata aparentemente indestructible, para que los persiga y mate a Thor. Los guerreros encuentran a Thor, pero el Destructor los ataca y los derrota, lo que hace que Thor se ofrezca en su lugar. Golpeado por el Destructor y a punto de morir, Thor demuestra que es digno con su sacrificio de empuñar Mjölnir. El martillo vuelve a él, restaurando sus poderes y permitiéndole derrotar al Destructor. Despidiéndose de Foster con un beso y prometiendo volver, parte con sus compañeros asgardianos para enfrentarse a Loki.

En Asgard, Loki traiciona y mata a Laufey, revelando su verdadero plan de utilizar el atentado de Laufey contra la vida de Odín como excusa para destruir Jotunheim con el Puente de Bifröst, demostrando así su valía ante su padre adoptivo. Thor llega y lucha contra Loki antes de destruir el Puente Bifröst para detener el plan de Loki, quedándose en Asgard. Odín despierta y evita que los hermanos caigan al abismo creado tras la destrucción del puente, pero Loki se deja caer cuando Odín rechaza sus peticiones de aprobación. Thor hace las paces con Odín, admitiendo que no está preparado para ser rey; mientras tanto, en la Tierra, Foster y su equipo buscan una forma de abrir un portal a Asgard.

En una escena post-créditos, Selvig es llevado a unas instalaciones de S.H.I.E.L.D., donde Nick Fury abre un maletín y le pide que estudie un misterioso objeto con forma de cubo, que según Fury puede contener un poder incalculable. Un Loki invisible incita a Selvig a aceptar, y lo hace.