Odin (Anthony Hopkins), roi d'Asgard, combat contre les Géants des glaces de Jotunheim et leur meneur Laufey (Colm Feore), pour les empêcher de conquérir les neuf royaumes, ceux-ci commençant par la Terre. Les guerriers d'Asgard gagnent face aux Géants et s'emparent de la source de leur puissance.
Plus tard, le fils d'Odin Thor (Chris Hemsworth) se prépare à hériter du trône d'Asgard, mais cette cérémonie est interrompue à cause de deux Géants qui tentaient de reprendre la source de leur puissance. Malgré l'interdiction d'Odin, Thor voyage vers Jotunheim pour faire face à Laufey, accompagné de son frère Loki (Tom Hiddleston), de son ami d'enfance Sif (Jaimie Alexander) et des trois guerriers ; Voltagg (Ray Stevenson), Fandrall (Joshua Dallas) et Hogun (Tadanobu Asano). Une bataille s'en suit avant qu'Odin n'intervienne pour sauver les Asgardiens. Pour avoir fait preuve d'arrogance envers son père, Thor est séparé de son pouvoir et exilé sur Terre, par Odin, sous l'apparence d'un mortel. Son marteau, Mjolnir (la source de sa puissance), est également envoyée sur terre, enfoncé dans un rocher et protégé par un enchantement.