Im Jahr 965 n. Chr. wird die Menschheit von den Frostriesen aus der Eiswelt Jotunheim bedroht, die beabsichtigen, auf der Erde eine neue Eiszeit herbeizuführen. Die von Göttervater Odin regierten Asen stellen sich ihnen jedoch in den Weg und bezwingen sie in einer großen Schlacht. Odin vereinbart mit Laufey, dem König der Frostriesen, einen Waffenstillstand und nimmt ihm die „Urne“, die Quelle seiner Macht, ab. Ins Götterreich Asgard zurückgekehrt erklärt er seinen jungen Söhnen, Thor und Loki, dass ein wahrer König niemals den Kampf suchen dürfe, jedoch stets darauf vorbereitet sein müsse.
Jahrhunderte später soll der mittlerweile erwachsene Thor als Erstgeborener zum König und Nachfolger Odins gekrönt werden, doch die Zeremonie wird unterbrochen, als drei Frostriesen in die Waffenkammer eindringen und versuchen, die Urne in ihre Gewalt zu bringen. Zwar werden sie vom Destroyer (deutsch: „Vernichter“), dem Wächter der Kammer, kurzerhand getötet, aber Thor sinnt auf Rache, woraufhin Odin ihn zurechtweist. Auf Anraten seines Bruders Loki missachtet Thor die Anweisung seines Vaters und begibt sich gemeinsam mit Loki und seinen Freunden Volstagg, Fandral, Hogun und Sif über die Regenbogenbrücke Bifröst nach Jotunheim, um herauszufinden, wie es den Eisriesen gelingen konnte, unbemerkt von Heimdall, dem Wächter der Brücke, nach Asgard zu gelangen. In Jotunheim kommt es zum Kampf, als Laufey sagt, es gebe Verräter in Asgard. Nur das Eingreifen Odins rettet Thor und seine Gefährten vor der Übermacht der Eisriesen.
Da Laufey einen neuerlichen Waffenstillstand ablehnt und Odin mit Krieg droht, kehrt Letzterer mit seinen Söhnen und deren Freunden nach Asgard zurück. Dort kommt es zur Auseinandersetzung zwischen Thor und Odin. Um seinem impulsiven Sohn eine Lektion in Demut zu geben, verbannt Odin Thor auf die Erde, nimmt ihm seine Kraft und belegt seinen Hammer Mjolnir mit einem Zauber. Der Hammer landet ebenfalls auf der Erde und wird dort in Stein eingeschlossen, aus dem er nur von jemandem befreit werden kann, der sich als „würdig“ erweist.
Auf der Erde untersuchen derweil die Astrophysikerin Jane Foster, ihre Assistentin Darcy Lewis und ihr Mentor, Dr. Erik Selvig, in der Wüste von New Mexico Wetterphänomene, von denen Jane glaubt, dass diese mit ihren Forschungen zusammenhängen. Plötzlich taucht vor ihnen ein Wirbelsturm auf, und während sie noch versuchen, diesem auszuweichen, läuft der soeben auf der Erde gelandete Thor vor ihr Auto. Als dieser von ihnen verlangt zu erfahren, wo er sich befindet, betäubt ihn Darcy mit einem Taser. Thor wacht in einem Krankenhaus in der Kleinstadt Puente Antiguo auf und greift sogleich die Pfleger an. Zwar verfügt er immer noch über enorme Körperkräfte, kann jedoch schließlich von mehreren Wachmännern überwältigt werden. Nachdem ihm schließlich doch die Flucht aus dem Krankenhaus gelungen ist, wird Thor erneut von Jane Foster angefahren, die sich gerade auf der Suche nach ihm befindet. Von Thor erhofft sich Foster Aufschluss über den Ursprung des Wirbelsturms.
In der Zwischenzeit entdeckt ein Pickup-Fahrer in der Wüste den Hammer. Da es ihm nicht gelingt, diesen aus dem Stein zu ziehen, finden sich bald zahlreiche Schaulustige an der Fundstelle ein und versuchen abwechselnd ihr Glück, bis Phil Coulson, ein Agent des Geheimdienstes S.H.I.E.L.D., dort eintrifft und den Fundort absichern lässt.
In Asgard beraten Thors Gefährten derweil über das Schicksal ihres Freundes. Hogun wirft den Verdacht auf, Loki könnte den Frostriesen heimlich den Zugang nach Asgard ermöglicht haben. Loki, der in Jotunheim die Berührung eines Frostriesen unbeschadet überstanden hatte, was ihn zu der Vermutung veranlasst, er könne selbst von den Frostriesen abstammen, wird von Odin in seinem Verdacht bestätigt: In Wahrheit ist er der Sohn Laufeys, den Odin einst im Anschluss an den Sieg über die Frostriesen ausgesetzt vorgefunden hatte, woraufhin er sich seiner annahm. Als Loki Odin daraufhin vorwirft, dieser liebe ihn nicht, fällt Odin vor lauter Anstrengung in den Odinschlaf. Loki besteigt daraufhin den Thron und weigert sich gegenüber seinen Freunden, Thors Verbannung rückgängig zu machen.
Thor erfährt vom Fund des Hammers und begibt sich auf den Weg in die Wüste. Jane Foster, deren Forschungsunterlagen von S.H.I.E.L.D. beschlagnahmt wurden, begleitet ihn. Thor verschafft sich Zugang zur mittlerweile von S.H.I.E.L.D. abgeriegelten Fundstelle, muss jedoch erkennen, dass auch er nicht in der Lage ist, den Hammer aus dem Stein zu befreien. Daraufhin wird er widerstandslos von S.H.I.E.L.D. in Gewahrsam genommen und verhört. Loki stattet ihm einen Besuch ab und behauptet, Odin sei gestorben, und die Mutter würde Thors Rückkehr verbieten, sodass Thor keine Veranlassung mehr sieht, nach Asgard zurückzukehren. Anschließend begibt sich Loki nach Jotunheim und macht Laufey das Angebot, ihm die Möglichkeit zu geben, Odin zu töten und die Urne wieder in seinen Besitz zu bringen, um nicht als Mörder seines Vorgängers auf den Thron zu steigen, verschweigt jedoch, dass er Laufeys Sohn ist.
In der Zwischenzeit ist es Foster und Selvig mittels eines Tricks gelungen, Thor aus der Gewalt von S.H.I.E.L.D. zu befreien. Nach einer durchzechten Nacht mit Selvig wird Thor von seinen Freunden Hogun, Fandral, Volstagg und Sif begrüßt, die Heimdall überzeugt haben, ihnen die Reise zur Erde zu gestatten. Loki hat dies jedoch mitbekommen, friert Heimdall mit Hilfe der Urne ein und schickt den Destroyer mit dem Auftrag, Thor zu töten, zur Erde. Nachdem er die S.H.I.E.L.D.-Agenten ohne Mühe überwältigt hat, stellen sich Thors Freunde dem Destroyer in den Weg, während Thor und Jane Foster versuchen, die Bewohner von Puente Antiguo in Sicherheit zu bringen. Schließlich stellt er sich dem Destroyer persönlich entgegen und bietet seinem Bruder sein eigenes Leben an, damit dieser im Gegenzug die Menschen verschont. Daraufhin streckt der Destroyer Thor nieder und tötet ihn, doch durch sein selbstloses Opfer hat sich Thor als würdig erwiesen, sodass sich der Hammer selbst aus dem Stein befreit, in Thors Hand landet und ihn wieder zum Leben erweckt. Nunmehr wieder bei vollen Kräften, bezwingt Thor den Destroyer ohne große Mühe.
Nach einer kurzen Unterredung mit Agent Coulson verabschiedet sich Thor von Jane Foster und begibt sich gemeinsam mit seinen Freunden dank der Hilfe von Heimdall, der sich in der Zwischenzeit befreien konnte, zurück nach Asgard. Loki hat derweil Laufey und einige von dessen Kriegern nach Asgard gebracht, tötet jedoch seinen leiblichen Vater, bevor dieser Odin ermorden kann. Tatsächlich beabsichtigt Loki, alle Frostriesen zu töten, um die Erinnerung an seine Herkunft ein für allemal auszulöschen und sich gegenüber Odin als würdiger Nachfolger zu erweisen. Zu diesem Zweck will er mit Hilfe der Bifröst-Brücke Jotunheim vernichten, doch Thor stellt sich ihm in den Weg und zerstört schließlich die Brücke. Der wieder erwachte Odin rettet seine Söhne vor dem Sturz in den Abgrund unter der Brücke, doch Loki, der erkennen muss, dass sein Vater seine Taten nicht gutheißt, stürzt sich selbst in die Tiefe.
Aufgrund der Zerstörung der Bifröst-Brücke kann Thor nicht mehr zur Erde zurückkehren, wo Jane Foster und ihre Kollegen nach einem anderen Weg suchen, eine Verbindung zu Asgard herzustellen.
In einer Szene nach dem Abspann wird Erik Selvig ins Hauptquartier von S.H.I.E.L.D. gebracht, wo ihn Nick Fury, der Leiter des Geheimdienstes, um Hilfe bei der Untersuchung eines mysteriösen Artefakts, des „Tesserakt-Würfels“, bittet. Tatsächlich steht Selvig jedoch unter dem Einfluss Lokis, der auf die Erde gelangt ist, wovon Fury nichts mitbekommt.
Quelle: Wikipedia