천체의 흐름을 연구하는 제인포스터 일행은 이상한 오로라를 발견한다. 직감적으로 그곳으로 달려갔고, 예기치 못한 기류 한 가운데로 돌진하던 차량은 한 남자를 치고 마는데...
기원전 965년. 아스가르드의 왕 오딘은 파괴를 일삼던 프로스트 종족과의 대결에서 승리하고 그들의 '힘의 원천'인 '얼음함'을 가져온다. 오딘에게는 토르와 로키, 두 명의 아들이 있었다.
토르의 왕위 즉위식이 있던날, 남아있던 프로스트 종족이 아스가르드에 잠입한다. 이에 격분한 토르는 친위대를 이끌고 프로스트 종족의 본거지인 요툰하임으로 떠난다. 프로스트 종족과 전투는 오딘의 등장으로 중단되고, 오딘은 토르를 지구(미드가르드)로 추방시킨다.
지구로 떨어진 토르는 제인포스터의 차량에 부딪히고, 이후 아스가르드로 돌아가기 위한 방법을 찾는다. 오딘이 토르를 지구로 보낼때 그의 무기인 망치 '묠니르'도 지구로 보낸다. 토니스타크를 감시하던 콜슨요원은 멕시코에 묠니르가 있다는 사실을 알고 그곳에 임시연구소를 세운다.
한편 프로스트 종족과의 싸움에서 자신이 오딘의 친아들이 아닌 프로스트 종족이라는 점을 알게된 로키는 오딘이 쓰러진 틈을 타 왕위에 오른다.
지구에 머물던 토르는 묠니르의 행방을 찾아낸다. 토르가 쉴드의 삼엄한 경비를 뚫고 묠니르를 들려는 순간 묠니르는 움직이지 않는다. 그리고 토르는 쉴드에 붙잡힌다.
토르는 제인포스터 일행에 의해 풀려나고, 토르를 찾기위해 친위대는 지구로 내려온다. 그 모습을 지켜보던 로키는 '디스트로이어'를 지구로 보내어 토르를 없애려 하고, 아스가르드에서 반란을 일으킨다.
지구를 파괴하던 디스트로이어를 막기 위해 토르가 희생하려던 순간 묠니르가 반응하여 토르에게 돌아온다. 묠니르를 얻은 토르는 디스트로어이를 파괴하고 아스가르드로 돌아와 로키의 반란을 진압한다.
사실 로키의 진짜 마음은 토르대신 요툰하임을 없애어 오딘의 인정을 받는 것이었다. 로키는 바이프로스트를 이용하여 요툰하임을 없애려 하고 토르는 무지개다리를 파괴하여 바이프로스트의 에너지를 막는다. 그 여파로 로키는 우주로 떨어져 사라지고 아스가르드의 전쟁은 잠잠해진다.
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쉴드의 연구에 협력하게 된 제인포스터 일행의 셀비그 박사는 닉퓨리를 만나 큐브에 대해 알게 된다. 그리고 그 곳에 로키의 그림자가 나타난다....