In der Einleitung des Films wird erzählt, wie die Dunkelelfen unter ihrem Anführer Malekith vor Jahrtausenden versuchten, von Svartalfheim aus das gesamte Universum mithilfe des Äthers, einer Schöpfung Malekiths, und einer Konvergenz der Neun Welten zurück in die Dunkelheit vor der Schöpfung zu stürzen. Den Asen unter ihrem König Bor, Vater von Odin, jedoch gelang es, den Plan im letzten Moment zu durchkreuzen, indem sie den Äther stahlen und ihn in eine Steinsäule einschlossen. Da die meisten Mitglieder seines Volkes ausgelöscht waren, sah sich Malekith gezwungen, sich mit seinem Raumschiff in die Weiten des Weltalls zurückzuziehen und im Tiefschlaf auf die Befreiung des Äthers zu warten.
Tausende von Jahren später kämpft sich Thor in den Neun Welten von Schlachtfeld zu Schlachtfeld, um das Chaos, welches sein Adoptivbruder Loki mit seinem Angriff auf die Erde losgetreten hat, wieder unter Kontrolle zu bringen. Sein Herz hängt jedoch immer noch bei seiner irdischen Geliebten Jane Foster, und er ist in seinem Entschluss, seinem Vater auf den Thron zu folgen, ein wenig wankelmütig geworden. Loki hingegen wurde nach seiner Gefangennahme auf der Erde zur ewigen Haft im Kerker von Asgard verurteilt. Während Loki immer noch von der Eifersucht und Rache an Thor und Odin gelenkt wird, hält nur seine Adoptivmutter Frigga, die ihm weiterhin zugetan ist, die Hoffnung weiter hoch, dass er sich doch noch bessern wird.
Indessen auf der Erde bemüht sich Jane Foster nach zwei Jahren des vergeblichen Wartens auf Thor mit ihrem Leben weiterzukommen. Darcy Lewis, ihre frühere Praktikantin und inzwischen Vollzeitassistentin, jedoch macht sie auf ein seltsames Phänomen - hervorgerufen durch eine bevorstehende neue Konvergenz der Neun Welten - in einer verlassenen Fabrik im Inneren Londons aufmerksam, durch welche Gegenstände an bestimmten Stellen plötzlich wegteleportiert und die Naturgesetze auf den Kopf gestellt werden. Als Jane allein durch das Gebäude streift, wird sie durch ein Portal, das sich auf einmal vor ihr auftut, in das Versteck des Äthers gezogen und absorbiert diese Macht versehentlich. Als der asgardische Wächter Heimdall ihr verschwinden von der Erde bemerkt, reist Thor sofort über den Bifröst zur Erde, wo er Zeuge wird, wie die inzwischen wiedergekehrte Jane aus Versehen einige Polizisten, die sie wegen unbefugtem Betreten der Fabrik festnehmen wollen, mit der Kraft des Äthers abwehrt. Um sie zu schützen und dem Phänomen auf die Spur zu kommen, nimmt er Jane mit sich nach Asgard. Dort kann erst Odin, der von Janes Anwesenheit nicht erbaut ist, Aufklärung über die Natur und Herkunft des Äthers bieten.
Durch die Befreiung des Äthers werden die Dunkelelfen wieder aus ihrem Tiefschlaf erweckt. Malekith schmuggelt seinen Stellvertreter Algrim als einen Kursed, ein Elitekrieger der Dunkelelfen, in das Verlies von Asgard, um die Verteidigungsanlagen des Goldenen Reiches von innen her zu sabotieren, während Malekith und seine Leute das Königsschloss mit ihrem unsichtbaren Schiff angreifen, um sich Jane zu holen. Die Überraschung gelingt, und Malekith dringt bis in die Kammer von Frigga ein, welche die Aufgabe bekommen hat, Jane zu beschützen. Als Frigga sich weigert, Jane und den Äther auszuliefern, wird sie von Algrim ermordet; Thor trifft zu spät ein und kann gerade noch Malekiths Gesicht mit seinen Blitzen halb verbrennen, bevor die Dunkelelfen entkommen können.
Geblendet vom Schmerz über den Verlust seiner Gemahlin stellt Odin Jane unter Arrest und will so Malekith zu sich holen, um einen letzten Zweikampf mit ihm auszufechten. Thor, der die Aussichtslosigkeit und die möglichen Opfer dieses Planes klarer einsehen kann, fasst den Plan, Jane aus Asgard fortzubringen, den Kampf damit auf neutrales Gelände zu verlagern und in dem Moment, wo sich Malekith den Äther von Jane holen will, die unheilvolle Substanz zu vernichten. Da Odin den Gebrauch des Bifröst untersagt hat, sieht sich Thor gezwungen, Loki aus seinem Gefängnis zu befreien, weil er als Einziger einige verborgene Pfade kennt, die die Neun Welten miteinander verbinden. Mit der Hilfe von seinen getreuen Freunden Sif, Fandral und Volstagg führt er sein Vorhaben aus und sichert sich Lokis Unterstützung, indem er an seine Beziehung mit Frigga appelliert. Zusammen stellen sie Malekith eine Falle, doch der Äther erweist sich widerstandsfähiger als erwartet, und Malekith kann dessen Substanz und Macht in sich aufnehmen. Als Thor und Loki einen letzten Versuch unternehmen, ihn aufzuhalten, wird Loki von Algrim tödlich verletzt, bevor er diesen durch eine seiner eigenen Implosionsgranaten tötet. Als Thor und Jane daraufhin in einer Höhle Zuflucht vor einem Sandsturm suchen, finden sie dort zufällig ein Portal, welches sie wieder zurück nach London bringt.
Inzwischen aber haben Darcy und deren eigener Praktikant, Ian, herausfinden müssen, dass ihr Mentor, Erik Selvig, nach seiner mentalen Versklavung durch Loki anscheinend den Verstand verloren hat und nach einem aufsehenerregenden Auftritt in Stonehenge ins Irrenhaus eingewiesen wurde. In Wirklichkeit wurde Selvig durch die Gedankenverbindung mit Loki von der bevorstehenden Konvergenz unterrichtet und hat in aller Eile Geräte konstruiert, um die Effekte der Konvergenz aufzuspüren und zu bekämpfen. Nachdem Darcy und Ian Selvig aus dem behördlichen Gewahrsam befreien können, stoßen Thor und Jane wieder zu ihnen, und zusammen finden sie den Ort, an dem Malekith sich aufhalten muss, um per der Konvergenz und mit der Macht des Äthers alle Neun Welten gleichzeitig mit Dunkelheit zu überziehen. Am Zielort, in der University of Greenwich, stellt sich Thor dem Herrscher der Dunkelelfen zum Kampf, der durch den herannahenden Zenit der Konvergenz, welche vollkommen zufällig weitere Tore zwischen den Neun Welten erschafft und verschwinden lässt, erschwert wird. Am Ende gelingt es Thor nach einem harten Gefecht, Malekith mit Selvigs Konstruktionen tödlich zu verwunden und in sein Raumschiff zu treiben, welches dann zurück nach Svartalfheim versetzt wird und dort zusammenbricht.
Nach seinen Erlebnissen kehrt Thor kurzzeitig nach Asgard zurück, wo er Odin eröffnet, dass er seine Aufgaben, die Neun Welten zu beschützen, nur als Krieger und nicht als König erfüllen kann, und damit dem Thron entsagt. Er kehrt daraufhin wieder zur Erde und zu Jane zurück, nicht wissend, dass Loki seinen Tod erneut nur vorgetäuscht und in der Zwischenzeit den Platz seines Adoptivvaters eingenommen hat. Währenddessen vertrauen Sif und Volstagg den Äther dem Collector, einem Ältesten des Universums, zur sicheren Verwahrung an. Als sie sich wieder entfernen, murmelt dieser die Worte: "Einer erledigt, Fünf noch übrig." Thor kehrt erneut zurück zur Erde, wo er Jane aufsucht und beide sich küssen. Währenddessen erscheint in London ein Frostgigant, welcher durch die Konvergenz auf die Erde gelangt ist.
Quelle: Wikipedia