História completa
Em 965 d.C., Odin, rei de Asgard, derrota os gigantes de gelo de Jotunheim e seu rei, Laufey, e leva o Cofre dos Antigos Invernos, a fonte do poder deles. Mais de mil anos depois, o filho Thor está para ser coroado. A cerimônia é interrompida por gigantes de gelo que entram no cofre de Asgard. Mais tarde se descobre que quem os deixou entrar foi Loki, o irmão de Thor.
Furioso, Thor desobedece o pai e leva Loki, a guerreira Sif e os Três Guerreiros até Jotunheim para tirar satisfação. A briga vira batalha e Odin precisa resgatá-los, quebrando a trégua entre os reinos. Como castigo, Odin tira os poderes de Thor e o exila na Terra. Joga também o martelo Mjölnir, com um encanto: só quem for digno pode erguê-lo.
No Novo México, Thor é atropelado pela astrofísica Jane Foster, que estuda fenômenos no céu com a assistente Darcy Lewis e o mentor Erik Selvig. Ele se comporta como príncipe num mundo que não entende, quebra uma caneca no café e pede outra. O martelo cai no deserto e vira atração local, até a S.H.I.E.L.D., com o agente Phil Coulson, cercar o local e levar a pesquisa de Jane. Thor invade a base, chega ao martelo e não consegue levantá-lo. Arrasado, aceita o exílio e se aproxima de Jane.
Em Asgard, Loki descobre que é filho de Laufey, um gigante de gelo adotado por Odin quando bebê. Odin cai no Sono de Odin e Loki assume o trono. Ele mente para Thor dizendo que o pai morreu e que ele não pode voltar. Depois oferece a Laufey a chance de matar Odin. Sif e os Três Guerreiros vão à Terra buscar Thor, e Loki manda o Destruidor, uma armadura viva, para acabar com eles. Thor se oferece em sacrifício para salvar as pessoas da cidade. O gesto o torna digno: o martelo volta, os poderes também, e ele derrota o Destruidor.
Em Asgard, Loki deixa Laufey chegar perto de Odin e então o mata, posando de salvador. O plano real é destruir Jotunheim inteira com a ponte Bifrost. Thor volta, luta com o irmão e quebra a ponte com o martelo para salvar o reino inimigo, mesmo sabendo que assim perde o caminho até Jane. Odin acorda e segura os dois à beira do abismo. Loki percebe que não ganhou a aprovação do pai e se solta. Thor admite que ainda não está pronto para ser rei. Na Terra, Jane continua procurando um jeito de alcançá-lo. Depois dos créditos, Nick Fury mostra a Selvig um cubo misterioso, e Loki está ali, invisível, controlando o cientista.