Père adoptif de Gamora et Nébula, Thanos a commencé à recueillir les six Pierres d'Infinité : la Pierre du Pouvoir, la Pierre de l'Espace, la Pierre de Réalité, la Pierre de l'Âme, la Pierre du Temps et la Pierre de l'Esprit. Son objectif est de réunir ces six gemmes sur un gantelet doré, forgé par le nain Eitri sur Nidavellir, afin d'utiliser leur immense puissance pour détruire la moitié de la population de l'Univers et rétablir ainsi un certain équilibre. Dans sa quête le menant sur diverses planètes, la Terre, Knowhere et Vormir, Thanos est aidé par ses enfants adoptifs : Ebony Maw (en), Cull Obsidian (en), Corvus Glaive (en) et Proxima Midnight (en). Face à cette nouvelle menace qui concerne l'Univers entier, le groupe de super-héros des Avengers, divisé depuis 2 ans, doit se reformer, et s'associer au Docteur Strange, aux Gardiens de la Galaxie et au peuple du Wakanda.
Après les évènements de Sokovie et l'affrontement avec UltronN 1, Thor est parti à la recherche des Pierres d'Infinité. Deux ans plus tard, sans résultat, il finit emprisonné dans le monde de Surtur (Muspellheim). Il se libère et vainc le démon enflammé, après que ce dernier lui a appris qu'Asgard est sans défense en l'absence du « Père de Toute Chose », Odin. Thor lui arrache sa couronne que le démon comptait unir avec l'Éternelle Flamme afin de provoquer le Ragnarök, la destruction d’Asgard.
Le dieu du Tonnerre revient à Asgard avec ce trophée, constatant qu'Heimdall a été chassé et remplacé par Skurge pour trahison et qu'Asgard a sombré dans la décadence sous le règne de Loki. Il démasque son frère Loki sous les traits d'Odin puis l’emmène sur Terre afin de ramener leur père, laissé dans une maison de retraite à New York qui a été entre-temps fermée. Avec l'aide du Docteur Strange, qui veut voir les Asgardiens quitter la Terre au plus vite, ils retrouvent Odin en Norvège au bord de la côte. Ce dernier leur révèle être mourant et ce que sa mort entraînera.
La mort soudaine d'Odin permet la libération de leur sœur aînée Hela, Déesse de la Mort, qui clame son droit au trône d'Asgard et brise aisément le marteau de Thor. Loki, terrifié face au sort de l'arme fétiche de son frère, ordonne qu'on les ramène à Asgard. Hela profite du Bifröst ouvert pour se rendre à Asgard, source de son pouvoir, et se débarrasse des deux Asgardiens en leur faisant quitter de force le faisceau. Elle arrive à destination et tue sans difficulté Volstagg et Fandral alors que Skurge préfère se soumettre. L'aînée d'Odin atteint la cité et se débarrasse à elle seule sans problème de la garde asgardienne tout entière menée par Hogun. Elle révèle l'histoire cachée du Royaume des Dieux à son nouveau serviteur, faite de conquêtes et de massacres perpétrés par Odin et sa fille, jusqu'à ce qu'Odin renonce aux tueries et bannisse sa fille, trop ambitieuse de pouvoir, dans une prison dimensionnelle. Elle pénètre ensuite dans la chambre forte, expliquant que la plupart des « trésors » qu'elle renferme, dont le Gant d'Infinité, sont factices ou de peu d'intérêt, à part le Tesseract, puis s'empare d'une braise de l'Éternelle Flamme et s'en sert pour faire resurgir des catacombes de la cité les Asgardiens morts lors de ses conquêtes et inhumés dans celles-ci ainsi que Fenris, un loup géant, ancienne monture de la déesse de la Mort. Elle les prend sous son contrôle et commence à asservir Asgard.
Thor échoue sur la décharge de Sakaar, un monde entouré de portails cosmiques. Il est rapidement fait prisonnier par une jeune femme et conduit devant le Grand Maître, gouverneur de ce monde et créateur du tournoi des champions. Thor remarque la présence de son frère à proximité et tente d'attirer son attention. Loki essaie de l'ignorer, mais Thor révèle leur parenté au Grand Maître, intrigué. Loki explique à son demi-frère qu'après plusieurs semaines, il a finalement réussi à s'attirer les faveurs de leur hôte, ce qui surprend Thor car il n'est sur ce monde que depuis quelques heures, le temps s'écoulant plus lentement en dehors de ce monde. Le dieu prisonnier explique que la situation de son monde est préoccupante et qu'il doit quitter l'endroit au plus vite, mais le Grand Maître lui indique que le seul moyen de quitter Sakaar est de vaincre son « champion » en combat singulier. Thor, persuadé de pouvoir l'emporter, accepte.
Avant l'affrontement, il rencontre les autres gladiateurs dont Korg, un être composé de pierres qui se présente comme leur chef. Une fois à l'armurerie, il revoit sa geôlière et tente de la convaincre de le libérer mais elle le neutralise avec un implant délivrant une puissante décharge électrique qu'elle lui a posé lors de sa capture. Son nouvel ami le met en garde contre « ces Asgardiens » qui ne sont pas faciles à tuer. Thor retente alors sa chance, jouant sur la corde du patriotisme et remarque un tatouage sur son poignet, celui de l'ordre des Valkyries (les guerrières d'élite d'Asgard). Il est malheureusement confronté à un mur et prend une autre décharge.
Après avoir été habillé et coiffé pour le combat (perdant de force ses cheveux longs), Thor se retrouve dans l'arène sous le nom de « Lord du Tonnerre ». Lorsque son adversaire apparaît, il exulte à la surprise du public tout entier alors que Loki se décompose : le champion en titre est Hulk, porté disparu depuis les événements de la SokovieN 1. Alors que Thor explique que le colosse émeraude est un « collègue de travail », ce dernier colle un coup brutal à son ami et lui fait traverser l'arène pour s'écraser contre l'une des parois. Thor est rapidement dépassé même en tentant de faire appel à Banner dans l’inconscient de la créature, mais réussit à porter un coup qui sonne son ami. Il tente d'utiliser la technique de relaxation utilisée par Natasha RomanoffN 1 pour le calmer, mais cela échoue et il subit le même sort que Loki lors de l'attaque sur New YorkN 2, à la grande satisfaction de ce dernier. Alors qu'il est sur le point d'être tué, une vision de son père le dote soudain de la puissance du tonnerre qui lui permet de repousser Hulk en lui envoyant des éclairs. Il semble être sur le point de porter le coup de grâce quand le Grand Maître active son implant et le neutralise. Se réveillant dans la chambre de Hulk, il découvre que celui-ci est arrivé en Quinjet après sa fuite et est resté sous sa forme « verte » depuis deux ans. Après une dispute avec lui, il découvre également le lien d'amitié entre lui et la Valkyrie qui l'a fait prisonnier.
Se sentant perdu, il fait appel à Heimdall via la vue omnisciente de ce dernier qui lui révèle qu'Hela prend le contrôle d'Asgard avec Skurge comme Exécuteur et que la seule chose qui l'a empêchée de commencer la conquête de l'univers est la disparition de l'épée qui active le Bifröst, fait dont il est responsable. Il explique ensuite à son prince que pour rejoindre Asgard après avoir quitté Sakaar, il doit passer par le plus gros des portails au-dessus du monde.
Armé de toutes ces informations, Thor convainc Hulk de faire venir la Valkyrie, puis l'affronte et décrit à la jeune femme la situation d'Asgard et l'amène à expliquer les raisons de son exil dans cet endroit. Elle lui révèle que lorsque Odin a banni Hela, elle ne s'est pas laissée faire, qu'il a envoyé les Valkyries la neutraliser, qu'Hela a détruit ses adversaires et que la jeune femme fut la seule survivante. Thor lui révèle qu'Odin est mort. Il révèle aussi que lors de leur petite rixe, il a subtilisé la télécommande de son implant et le désactive, puis prend la fuite en sautant par la fenêtre avant de rejoindre le Quinjet pour quitter ce monde. Hulk avait clairement fait comprendre qu'il ne quitterait jamais un monde où il est acclamé pour un monde où il est méprisé, mais il n'accepte pas que son seul adversaire valable (et l'un de ses seuls amis) s'en aille et détruit le fuselage de l'appareil. Le dieu du Tonnerre, essayant d'activer la propulsion avant qu'elle ne soit entièrement détruite, met en route le dernier message laissé par Natasha RomanoffN 1, ce qui éveille la conscience de Banner. Hulk tente de combattre sa présence, mais Thor fait appel aux sentiments de son ami pour la jeune femme et le fait redevenir humain. Bruce se réveille paniqué sans savoir où il est ni depuis combien de temps il n'a plus le contrôle et prend la fuite avec Thor qui essaie d'expliquer en douceur (mais maladroitement) leur situation.
De son côté, le Grand Maître est irrité d'avoir perdu son champion et envoie les responsables (à savoir la Valkyrie et Loki) à sa recherche ainsi qu'à celle de son « ravisseur », en mettant leurs poursuivants en compétition. Une fois qu'ils ont quitté le Grand Maître, le dieu de la Malice découvre l'origine asgardienne de sa rivale et la replonge dans ses pires souvenirs pour prendre l'avantage sur elle. Mais la jeune femme le neutralise puis retrouve Thor, acceptant de l'aider et lui offrant Loki en gage de sa bonne foi. Thor met au point un plan en envoyant la Valkyrie libérer les gladiateurs pour déclencher une révolution tandis que lui et son frère vont s'emparer d'un des vaisseaux du Grand Maître pour fuir par « l'Anus de Satan », le plus gros portail de Sakaar.
Le plan semble se dérouler comme prévu mais Thor, ayant appris à anticiper les coups en traître de Loki, lui colle l'implant qu'il s'est retiré sous couvert d'une tape amicale et l'active lorsque ce dernier tente de mettre son propre plan à exécution. Laissant son frère tétanisé par la décharge délivrée en continu, Thor s'empare d'un vaisseau et part récupérer Banner. Ils sont pris en chasse par des chasseurs de la garde, mais la Valkyrie en élimine une bonne partie, épaulée par Thor. Les deux Asgardiens remontent à bord du vaisseau piloté tant bien que mal par Bruce et s'échappent de Sakaar.
Pendant ce temps, Heimdall organise le sauvetage du peuple asgardien face à Hela qui supprime quiconque s'oppose à sa soif de pouvoir et de conquête. Thor et ses compagnons arrivent à Asgard. Voyant l'état de son royaume, Thor décide d'attirer Héla dans le palais pendant que les autres aident Heimdall et le peuple asgardien à s'enfuir. Alors qu'ils sont presque arrivés à l'entrée du Bifröst, ils découvrent Fenris qui leur barre la route tandis que Skurge et les soldats d'Hela les prennent en tenaille par l'autre côté. Le vaisseau du groupe de Thor arrive alors et attaque les soldats et le loup géant. Voyant la situation dégénérer, Banner décide, malgré le risque de rester de nouveau prisonnier de son propre esprit, de redevenir Hulk et affronte le gigantesque loup avant de tomber du pont avec lui. La Valkyrie, vêtue et armée de sa tenue de guerrière asgardienne, quitte le vaisseau trop endommagé pour continuer à voler et affronte au sol les troupes d'Hela, mais ils sont rapidement dépassés par le nombre jusqu'à ce qu'un gigantesque vaisseau arrive et fasse de gros dégâts dans les rangs ennemis. Le vaisseau fait descendre une passerelle sur le pont et laisse apparaître Loki et les gladiateurs qui descendent en renfort pour permettre au peuple d'embarquer à bord.
L'affrontement fratricide entre la déesse de la Mort et le dieu du Tonnerre tourne en faveur de la première et coûte même son œil droit à Thor. Soudain, la vision de son père lui revient et ce dernier lui explique que le marteau n'était pas la source de son pouvoir mais un catalyseur censé l'aider à le contrôler. Thor laisse alors exploser sa puissance et fait tomber un éclair surpuissant sur Hela, mais en vain. Il décide donc de rejoindre son peuple et de fuir avec lui. Il retrouve avec étonnement son frère puis a une révélation en se remémorant les paroles de son père. Le pouvoir d'Hela puisant sa source dans Asgard même, il demande à Loki de se rendre dans la chambre forte et de placer le casque de Surtur dans l'Éternelle Flamme afin de réaliser la prophétie du Ragnarök qu'il comptait empêcher. Loki s'y rend et s'attarde devant le Tesseract (contenant la pierre de l'Espace, une des six Pierres d'Infinité) avant d'exécuter le rituel : le démon renaît, haut comme une montagne, et commence à détruire le royaume d'Asgard.
La fille d'Odin tente d'empêcher la fuite du vaisseau avec une colonne de pierre utilisée par ses derniers soldats pour se hisser à bord et faire un massacre. Skurge, qui s'était réfugié avec les autres dans le vaisseau et regrettant ses actes, se sacrifie pour détruire la colonne et emporter les soldats avec lui. Hulk réussit à balancer Fenris dans la chute d'eau donnant sur le cosmos et remonte sur le pont puis, voyant Surtur détruire la cité, commence à l'attaquer avant d'être retenu par la Valkyrie et Thor. Ils montent à bord du vaisseau tandis que le Ragnarök consume Asgard, Surtur et Hela.
À bord du vaisseau, Thor découvre que son frère a réussi à quitter Asgard à temps et choisit de rester avec lui. Thor accepte enfin de devenir souverain du peuple asgardien. Il choisit leur prochaine destination : la Terre.
Un an après les événements relatés dans Captain America : Le Soldat de l'hiver, qui ont vu la destruction du SHIELD, Tony Stark, avec l'aide de Bruce Banner, crée Ultron, une intelligence artificielle capable d'augmenter seule ses capacités, qui est censée protéger l'humanité de toutes les menaces potentielles et contrôler l'Iron Legion. Mais le plan de Stark se retourne contre lui lorsqu'Ultron décide que les principaux ennemis sont en fait les humains et s'emploie à les éradiquer de la surface de la Terre. Les Avengers se regroupent à nouveau pour lutter contre cette menace mortelle, tandis que trois nouveaux personnages apparaissent : les jumeaux Maximoff (Pietro et Wanda), d'abord ennemis puis alliés, et La Vision, une puissante entité créée durant le film
Thor se bat pour restaurer l'ordre à travers l'univers mais une ancienne race menée par le menaçant Malekith revient pour précipiter l'univers dans les ténèbres. Face à un ennemi auquel même Odin et Asgard ne peuvent résister, Thor doit s'embarquer dans son plus périlleux voyage jusqu'à ce jour, au cours duquel il retrouvera Jane Foster et sera contraint de tout sacrifier pour sauver l'humanité.a
Pendant un an d'exil, Loki, le frère adopté de Thor s'allie avec l'Autre, le chef d'une race extra-terrestre connue sous le nom de Chitauris. Un marché est fait, L'Autre souhaite s'emparer du Cube cosmique (Tesseract) qui est actuellement sur la Terre. Avec l'aide de l'armée des Chitauris, Loki pourra prendre le contrôle de cette planète en échange du Cube cosmique.
Sur Terre, Nick Fury arrive dans un centre de recherche du SHIELD lors d'une évacuation. L'équipe du docteur Erik Selvig travaille sur le Cube cosmique. Alors que les scientifiques cherchent à comprendre les soudaines variations énergétiques du Cube cosmique, celui-ci se met brutalement à rayonner et suite à une décharge brutale ouvre un portail à travers l'espace. Apparaît alors Loki, qui, grâce à son sceptre, cause de gros dégâts tout en tuant plusieurs agents. Il envoûte Clint Barton alias ?il-de-faucon, un agent du SHIELD ainsi que le Dr Selvig. Tous trois s'enfuient avec le Cube cosmique malgré les efforts de l'agent Maria Hill. C'est alors que le centre s'écroule dans un gigantesque cataclysme créé par le Cube cosmique, ne laissant au final qu'un gigantesque cratère. Nick Fury parvient à s'échapper avec la majeure partie de son équipe, mais il n'a pu empêcher Loki, Selvig et ?il-de-faucon de s'enfuir.
Nick Fury prend la décision de réactiver le projet Initiative des Avengers afin de récupérer le Cube cosmique et mettre fin aux plans de Loki. Natasha Romanoff alias la Veuve Noire est envoyée en Inde pour recruter le docteur Bruce Banner alias Hulk, tandis que l'agent Phil Coulson rend visite à Tony Stark alias Iron Man et que Fury s'entretient avec Steve Rogers alias Captain America. L'équipe est rassemblée à bord de l'Héliporteur, un porte-avions capable de voler, et travaille sur un moyen de localiser le Cube cosmique. Après avoir capturé Loki, qui cherchait à dominer la population incrédule et apeurée de Stuttgart en Allemagne pendant que ses hommes subtilisaient un morceau d'iridium, l'équipe est rejointe par Thor, renvoyé sur Terre un an après son bannissement pour ramener Loki à Asgard. Mais Iron Man défie Thor pour l'empêcher de partir avec Loki avant d'avoir retrouvé le Cube cosmique et Captain America arrive à son tour. Thor s'en prend à Captain America, et après une nouvelle mesure du rapport de forces, ils décident d'arrêter ce combat inutile.
De retour dans l'Héliporteur, de profonds désaccords semblent diviser les membres de l'équipe et chacun essaye de justifier sa place à bord quand Loki, interrogé par la Veuve Noire, révèle par erreur une partie de son plan : il projette de réveiller Hulk en faisant brutalement attaquer le vaisseau par un commando mené par ?il-de-faucon. Son plan fonctionne, car Loki parvient non seulement à s'évader, blessant mortellement au passage l'agent Coulson, mais surtout à endommager le vaisseau par l'intermédiaire d'un Hulk rendu fou furieux et qui s'est battu contre Thor.
La Veuve Noire réussit malgré tout à assommer et capturer ?il-de-faucon, et celui-ci revient à la raison. Nick Fury utilise la mort de Coulson pour souder l'équipe, qui réalise qu'elle n'a d'autre choix que de collaborer étroitement sous le nom des Avengers pour mettre un terme aux plans de Loki. Ayant finalement localisé l'endroit où le portail sera ouvert, à l'emplacement de la tour Stark à New York, les Avengers arrivent trop tard pour empêcher le portail d'être ouvert et les Chitauris d'envahir la ville.
S'ensuit alors un combat titanesque dans les rues de Manhattan, chacun parvenant à repousser les vagues de Chitauris, mais ceux-ci sont trop nombreux. Dans un mouvement de panique, les autorités du SHIELD décident d'atomiser l'île de Manhattan pour éradiquer les Chitauris. Le docteur Selvig, libéré du contrôle de Loki, révèle à la Veuve Noire que le sceptre de Loki peut être utilisé pour fermer le portail. Iron Man intercepte de justesse le missile et grâce à son armure, parvient à le guider jusqu'à travers le portail et l'accompagne dans l'espace, se sacrifiant. Le missile détruit le vaisseau-mère des Chitauris et ces derniers meurent. Avant qu'Iron Man ne manque de puissance et retombe sur Terre, Hulk l'attrape dans sa chute et le sauve pendant que la Veuve Noire referme le portail grâce au sceptre de Loki. La Terre est sauvée. Thor quitte la Terre avec Loki grâce au Cube cosmique pour rejoindre Asgard. Les Avengers peuvent savourer leur triomphe bien que chacun fasse le choix de partir de son côté. Nick Fury, persuadé que chaque membre reviendra si jamais une nouvelle menace apparaissait, décide de ne pas les suivre à la trace comme il l'avait fait dans le passé.
Pendant ce temps dans l'espace, l'Autre explique à un interlocuteur que les humains se sont révélés plus coriaces que prévu. Selon lui, les défier c'est s'exposer à la mort. On découvre alors le visage de celui qui fût l'instigateur de ce chaos orchestré depuis le début : Thanos. En entendant le mot « mort », il se mit à sourire car il est à préciser que dans les comics, Thanos se considérait lui-même comme l'amant de la Mort.
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.