Den arrogante og selvsikre tordenguden Thor (Chris Hemsworth) blir forvist fra riket Åsgard av sin far Odin (Anthony Hopkins), fordi han etter en smule overmodighet har kommet til å sette igang en krig mot de fryktede frostkjempene i Jotunheimen. Odin blir mildt sagt svært skuffet, og erklærer Thor for uegnet til å herske over Åsgard og til å holde den magiske hammeren. Han blir sendt til planeten Jorden, der han nesten blir overkjørt av en gjeng forskere, ledet av Jane Foster (Natalie Portman). Ingen på Jorden tror på Thors historier – utenom Jane, som umiddelbart blir fascinert av den underlige mannen som falt rett fra himmelen. Thor prøver å returnere til Åsgard – men i bakgrunnen lurer Thors bror Loke (Tom Hiddleston), som planlegger å ødelegge Jotunheimens eksistens, fordi han vil vise Odin at han er like god som Thor. Men Thor, som forandrer seg mens han er på jorden, akter å stoppe broren før det er for sent.