Film ini dibuat berdasarkan karakter komik Marvel Thor. Bintang film ini adalah Chris Hemsworth (Thor), Natalie Portman (Jane Foster), Anthony Hopkins (Odin), dan Tom Hiddleston (Loki). Film ini difilmkan di California dan New Mexico.
Thor, yang dikenal sebagai dewa guntur, adalah prajurit kekaisaran yang harus banyak belajar tentang tugasnya dan masa depannya sebagai raja. Thor, Hemsworth, secara tidak sengaja memulai perang dengan alam lain. Tindakan ini membuat marah ayahnya, raja Asgard, Hopkins, yang tidak punya pilihan selain menempatkannya di alam lain, Bumi. Ini menyakitkan ayahnya, tetapi dia harus melakukannya untuk menjaga perdamaian dan mengajari Thor cara kepemimpinan.
Thor dikirim ke pintu, dilucuti dari kekuatannya dan mendarat di New Mexico, tidak sadarkan diri. Ketika dia tiba, dia menemukan dirinya bersama Jane Foster, Portman, tanpa palunya. Semua orang mengira Thor gila, kecuali Jane. Dia melihat sesuatu dalam dirinya yang tidak dilihat orang lain dan meyakinkan teman-temannya untuk membantunya mendapatkan kembali palunya. Sayangnya, mereka bukan satu-satunya yang memperhatikan aktivitas di gurun New Mexico. Tak lama kemudian, agen pemerintah masuk dan membangun kompleks di sekitar palu yang tidak dapat dipindahkan oleh siapa pun. Hanya yang layak yang bisa memegang palu. Tapi Thor dianggap tidak layak.
Sementara di Asgard, raja jatuh sakit dan Loki, saudara laki-laki Thor, mengambil alih. Tanpa sepengetahuan orang Asgard, Loki telah bersekongkol dengan musuh mereka selama ini. Mereka memohon kepada Loki untuk mengirimkan keputusan terkait nasib Thor dan membawanya pulang. Namun, Loki memiliki rencananya sendiri dan untuk memenuhinya, dia membutuhkan Thor untuk selamanya. Dia memberi tahu para prajurit bahwa jika dia membawa Thor kembali, dia akan memulai perang yang lebih besar dan membuat kerajaan terlihat lemah.
Empat prajurit memutuskan untuk mengambil tindakan sendiri, dan dengan bantuan wali mereka melakukan perjalanan ke Bumi untuk menemukan Thor. Loki melihat ini dan mengirim prajurit mengejar mereka untuk menghancurkan Thor. Thor harus mendapatkan kembali kekuatannya dan pulang ke Asgard untuk memperbaiki kekacauan yang dia mulai. Thor mencium Jane selamat tinggal, sebelum berjanji untuk kembali untuknya, dan melakukan perjalanan kembali ke Asgard. Thor harus menyelamatkan kerajaannya dan ayahnya dari Loki, dan kemudian menemukan jalan kembali ke cintanya, Jane.