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Há muitos anos, Bor, pai de Odin, derrotou o exército dos elfos negros liderados por Malekith, que, com a ajuda de um elemento chamado Éter, queria fazer o Universo voltar a ser o que era antes de sua criação: pura escuridão. Após derrotar os Elfos, Bor ordena que o Éter seja enterrado em um local profundo, já que não pode ser destruído. Sem que Bor soubesse, Malekith, seu braço-direito Algrim e alguns outros Elfos escapam.

De volta aos dias de hoje, em Asgard, Loki é condenado à prisão perpétua por Odin após a batalha de Nova York. Enquanto isso, Thor e seus amigos Fandral, Volstagg e Sif combatem seres de Vanaheim; é a última batalha de uma série para trazer paz para os Os Nove Reinos.

Em Londres, a astrofísica Jane Foster, que não vê Thor desde os eventos do primeiro filme, tenta realizar um encontro com um homem chamado Richard, mas é interrompida por sua estagiária Darcy Lewis. Ela leva Jane a uma fábrica abandonada onde as leis da física ficam irregulares em alguns pontos. Jane acaba sugada por um vórtice e é levada para o local onde o Éter ficou guardado por milhares de anos. O elemento entra em seu corpo e a deixa exponencialmente mais forte que um ser humano comum.

Os asgardianos descobrem que um raro alinhamento dos Nove Reinos está prestes a ocorrer, e nos pontos onde os mundos se tocam, como na fábrica, portais são criados. Quando Heimdall conta a Thor que Jane sumiu da Terra, ele faz uma busca por ela até encontrá-la na fábrica. Percebendo que ela está dotada de uma força incomum, ele decide levá-la para Asgard, mas os médicos de lá não conseguem remover o elemento de seu corpo. Odin revela a Thor e Jane que o fato de ela ter sido apoderada pelo Éter confirma uma antiga profecia catastrófica. Frigga, esposa de Odin e mãe de Thor, acolhe Jane como sua protegida.

Malekith e seu exercito, despertados pelo lançamento do Éter, transformam Algrim em um Kursed hiperdesenvolvido e atacam Asgard. Malekith e Algrim matam Frigga enquanto procuravam Foster, mas escapam quando Thor chega. Odin ordena que seu filho permaneça em Asgard para proteger o reino em vez de partir em busca de vingança. Contudo, após o funeral de sua mãe, Thor decide levar Jane para longe de Asgard para que Malekith não ataque o reino. Sabendo da existência de uma passagem secreta para o mundo sombrio de Malekith, Thor se alia a Loki, oferecendo-o uma chance de vingar a morte de sua mãe adotiva. Os dois escapam com Jane em uma das naves dos Elfos e chegam ao mundo sombrio, com a ajuda de Sif e Volstagg.

Na Terra, Lewis descobre que Erik Selvig enlouqueceu e foi internado em um manicômio. Com a ajuda de seu estagiário, Ian, ela tira Erik do manicômio. Enquanto isso, Thor, Jane e Loki confrontam Malekith e Algrim. Loki apunhala Thor e entrega Jane a Malekith, mas era tudo um truque para surpreender Malekith e impedí-lo de se apoderar do Éter. Thor e Loki enfrentam Algrim, que mata Loki, mas não antes que ele conseguisse preparar uma granada, que destrói Algrim segundos depois. Enquanto isso, Malekith consegue, de fato, se apoderar do Éter. Thor e Jane deixam o corpo de Loki e vão à Terra através de um portal que encontraram. Em Londres, a nave mãe de Malekith estaciona nos jardins do Velho Real Colégio Naval, em Greenwich. É lá o local onde os Nove Reinos irão convergir, e é o ponto onde Malekith pretende usar o poder do Éter para destruir o Universo e fazê-lo voltar a ser pura escuridão. Enquanto Thor e Malekith brigam, Jane e Erik usam seus equipamentos científicos para lidar com os portais, e conseguem transportar Malekith e sua nave para o mundo sombrio no último segundo, onde o vilão é esmagado pela própria nave.

De volta a Asgard, Thor recusa o convite de seu pai para ser rei, dizendo que prefere continuar trabalhando para o reino fora do Trono. Quando ele deixa a sala do trono, a imagem de Odin se desfaz e é revelado que Loki se apoderou do trono.

Em uma cena em meio aos créditos, Volstagg e Sif visitam o Colecionador e confiam o Éter a ele, afirmando que, como o Tesseract já se encontra em Asgard, manter duas joias do infinito tão próximas seria perigoso. Na cena pós-créditos, Thor e Jane se reencontram na Terra.