Historia completa
En el año 965, Odín, rey de Asgard, derrota a los gigantes de hielo de Jotunheim y a su rey, Laufey, y se lleva el Cofre de los Antiguos Inviernos, la fuente de su poder. Más de mil años después, su hijo Thor está a punto de ser coronado. La ceremonia se interrumpe porque unos gigantes de hielo entran a la bóveda de Asgard. Más tarde se descubre que quien los dejó pasar fue Loki, el hermano de Thor.
Furioso, Thor desobedece a su padre y lleva a Loki, a la guerrera Sif y a los Tres Guerreros a Jotunheim para pedir cuentas. La discusión se vuelve batalla y Odín tiene que rescatarlos, rompiendo la tregua entre los reinos. Como castigo, Odín le quita a Thor sus poderes y lo destierra a la Tierra. Lanza también el martillo Mjolnir con un hechizo: solo quien sea digno puede levantarlo.
En Nuevo México, la astrofísica Jane Foster atropella a Thor mientras estudia fenómenos en el cielo con su asistente Darcy Lewis y su mentor Erik Selvig. Él se comporta como un príncipe en un mundo que no entiende, rompe una taza en la cafetería y pide otra. El martillo cae en el desierto y se vuelve atracción local, hasta que S.H.I.E.L.D., con el agente Phil Coulson, cerca el lugar y se lleva la investigación de Jane. Thor entra a la base, llega al martillo y no puede levantarlo. Destrozado, acepta el exilio y se acerca a Jane.
En Asgard, Loki descubre que es hijo de Laufey, un gigante de hielo que Odín adoptó de bebé. Odín cae en el Sueño de Odín y Loki toma el trono. Le miente a Thor diciendo que su padre murió y que no puede volver. Luego le ofrece a Laufey la oportunidad de matar a Odín. Sif y los Tres Guerreros van a la Tierra por Thor, y Loki manda al Destructor, una armadura viviente, para acabar con ellos. Thor se ofrece en sacrificio para salvar a la gente del pueblo. Ese gesto lo hace digno: el martillo vuelve, los poderes también, y derrota al Destructor.
En Asgard, Loki deja que Laufey se acerque a Odín y luego lo mata, posando de salvador. Su plan real es destruir Jotunheim entera con el puente Bifrost. Thor regresa, pelea con su hermano y rompe el puente con el martillo para salvar el reino enemigo, aunque así pierde el camino hacia Jane. Odín despierta y sostiene a los dos al borde del abismo. Loki entiende que no ganó la aprobación de su padre y se suelta. Thor admite que todavía no está listo para ser rey. En la Tierra, Jane sigue buscando una forma de alcanzarlo. Tras los créditos, Nick Fury le muestra a Selvig un cubo misterioso, y Loki está ahí, invisible, controlando al científico.