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Em 965 D.C., Odin, rei de Asgard, declara guerra contra os Gigantes de Gelo de Jotunheim e seu líder Laufey, para os impedir de conquistar os nove reinos, começando pela Terra. Os guerreiros Asgardianos derrotam os Gigantes de Gelo e conseguem pegar a fonte do seu poder, uma caixa de gelo.

No presente, o filho de Odin, Thor se prepara para ascender ao trono de Asgard, mas é interrompido quando os Gigantes de Gelo tentam recuperar a caixa. Contra a ordem de Odin, Thor viaja para Jotunheim para enfrentar Laufey, acompanhado por seu irmão Loki, sua amiga de infância Sif e os Três Guerreiros Volstagg, Fandral e Hogun. Uma batalha acontece até Odin intervir para salvar os Asgardianos, destruindo a frágil trégua entre as duas raças. Devido à arrogância de Thor, Odin tira-lhe todo o poder divino e bane-o para a Terra como um mortal acompanhado de seu martelo Mjölnir, agora protegido por um encantamento para permitir que apenas os dignos possam empunhá-lo.

Loki descobre que é filho de Laufey e que foi adotado por Odin depois que a guerra terminou. Odin, dominado pelo estresse da descoberta de Loki e o banimento de Thor, cai no profundo "Sono de Odin" que irá lhe permitir recuperar-se. Loki se torna rei e oferece a Laufey a chance de matar Odin e recuperar a caixa.

Sif e os Três Guerreiros, infelizes com o governo de Loki, tentam resgatar Thor de seu exílio, convencendo Heimdall, guardião do Bifröst - o meio de viajar entre os mundos - para permitir a passagem para a Terra. Consciente do seu plano, Loki envia o Destruidor, um robô aparentemente indestrutível, para persegui-los e matar Thor. Os guerreiros encontram Thor, mas o Destruidor os encontra e os derrota, fazendo Thor oferecer sua própria vida para que os outros possam se afastar em segurança. Derrotado pelo Destruidor e próximo da morte, o sacrifício de Thor prova-o digno de empunhar Mjölnir. O martelo retorna a ele, devolvendo os seus poderes e habilitando-o para derrotar o Destruidor. Thor se despede de Jane com um beijo e promete voltar depois de ir para Asgard junto com os guerreiros para derrotar Loki.

Em Asgard, Loki trai e mata Laufey, revelando o seu verdadeiro plano de usar a tentativa de Laufey de atentar contra a vida de Odin como uma desculpa para destruir Jotunheim com a ponte Bifröst, provando-se digno de seu pai. Thor chega e luta com Loki antes de destruir a Ponte Bifröst para parar o plano de Loki, prendendo-o em Asgard. Odin acorda e impede os irmãos de cair no abismo criado na esteira da destruição da ponte, mas Loki permite-se cair. Thor faz as pazes com Odin, admitindo que ele não está pronto para ser rei, enquanto na Terra, Jane e sua equipe buscam uma maneira de abrir um portal para Asgard.

Em uma cena pós-créditos, Selvig foi levado para uma instalação da S.H.I.E.L.D., onde Nick Fury abre uma maleta e pede-lhe para estudar um objeto misterioso,2 que Fury diz que têm um poder incalculável. Um Loki invísivel ordena que Selvig concorde, e Selvig faz.