La storia è incentrata su Thor (interpretato da Chris Hemsworth), un potente ma arrogante guerriero, figlio di Odino, il re di Asgard. Alla vigilia della sua incoronazione, la cerimonia viene interrotta da un tentativo di incursione da parte dei Giganti di Ghiaccio, antichi nemici di Asgard. Contro il volere di suo padre, Thor guida i suoi amici (Sif, Volstagg, Fandral e Hogun) a Jotunheim, il regno dei Giganti di Ghiaccio, per affrontarli. L’azione spericolata di Thor infrange una delicata tregua e scatena una guerra.
Infuriato dall’arroganza e dalla disobbedienza del figlio, Odino (Anthony Hopkins) spoglia Thor dei suoi poteri, lo bandisce da Asgard e lo esilia sulla Terra, insieme al suo martello incantato Mjolnir. Il martello rimane conficcato nel terreno del Nuovo Messico, accessibile solo a chi si dimostrerà degno di sollevarlo.
Sulla Terra, Thor incontra l’astrofisica Jane Foster (Natalie Portman), la sua assistente Darcy Lewis (Kat Dennings) e il Dr. Erik Selvig (Stellan Skarsgård). Inizialmente disorientato e impotente, Thor impara gradualmente l’umiltà e cosa significhi essere un eroe.Nel frattempo, ad Asgard, il fratello adottivo di Thor, Loki (Tom Hiddleston), scopre la verità sulle sue origini (è un Gigante di Ghiaccio adottato da Odino). Sfruttando il “sonno di Odino” (un periodo di riposo rigenerativo), Loki usurpa il trono e complotta per sbarazzarsi definitivamente di Thor. Invia il Distruttore, un’automa da guerra asgardiano, sulla Terra per uccidere Thor.
Thor, innamorato di Jane e determinato a proteggere gli innocenti, si sacrifica per fermare il Distruttore. Questo atto di altruismo lo rende degno di Mjolnir, che ritorna da lui, ripristinando i suoi poteri. Thor torna ad Asgard, sconfigge Loki e salva i Nove Regni.
Nella scena post-credits, Nick Fury dello S.H.I.E.L.D. mostra al Dr. Selvig il Tesseract, un potente manufatto, ignaro che Selvig è ora sotto l’influenza mentale di Loki.
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