Film, yüce Asgard krallığının kibirli ama güçlü prensi Thor'un (Chris Hemsworth) hikayesini anlatıyor. Babası Odin (Anthony Hopkins), buz devlerine karşı giriştiği pervasız bir savaşın ardından Thor'un olgunlaşmamış ve bencil davranışlarından rahatsız olur. Bir ders vermesi gerektiğine inanan Odin, Thor'u gücünden ve tanrısal yeteneklerinden mahrum bırakarak yeryüzüne, yani Dünya'ya sürgün eder.
Thor, düşmüş bir tanrı olarak New Mexico'da bilim insanı Jane Foster (Natalie Portman), asistanı Darcy Lewis (Kat Dennings) ve akıl hocası Dr. Erik Selvig (Stellan Skarsgård) tarafından bulunur. Başlangıçta şaşkın ve öfkeli olan Thor, yavaş yavaş insanlığın değerini ve alçakgönüllülüğü öğrenmeye başlar. Bu sırada, Asgard'da Thor'un üvey kardeşi Loki (Tom Hiddleston), Odin'in hastalığını ve Thor'un sürgününü fırsat bilerek tahtı ele geçirme planları yapar.
Loki'nin entrikaları Asgard ile Dünya arasındaki dengeyi tehdit ederken, Thor, çekicini (Mjölnir) geri kazanmak ve hem Asgard'ı hem de Dünya'yı Loki'nin kötücül planlarından kurtarmak için gerçek bir kahraman olmayı öğrenmelidir. Film, mitolojik bir dünyadan gelen bir kahramanın kendini keşfetme yolculuğunu, fedakarlığı ve sorumluluk almayı öğrenme sürecini destansı bir dille anlatıyor.
