Film Thor produksi Marvel Studios membuka gerbang menuju dunia kosmik yang luas, memperkenalkan kita kepada Thor, seorang pangeran dari dunia Asgard yang perkasa. Kisah dimulai pada tahun 965 Masehi, ketika Odin, Raja Asgard, berperang melawan bangsa Frost Giants dari Jotunheim yang dipimpin oleh Laufey. Tujuan perang ini adalah untuk mencegah Frost Giants menaklukkan Sembilan Alam, yang dimulai dari Bumi. Pasukan Asgard berhasil memenangkan pertempuran dan merebut sumber kekuatan Frost Giants, yaitu Casket of Ancient Winters.
Beranjak ke masa kini, di Asgard, Thor bersiap untuk dinobatkan menjadi raja menggantikan Odin. Namun, upacara penobatan terganggu ketika sekelompok Frost Giants, yang secara diam-diam diizinkan masuk oleh saudara angkat Thor, Loki, mencoba untuk mencuri kembali Casket. Thor yang penuh amarah dan gegabah, melanggar perintah Odin dan memutuskan untuk pergi ke Jotunheim menghadapi Laufey. Ia ditemani oleh Loki, sahabat masa kecilnya Sif, dan Warriors Three: Volstagg, Fandral, dan Hogun.
Pertempuran sengit terjadi di Jotunheim hingga Odin datang menyelamatkan mereka. Tindakan Thor yang dianggap arogan dan tidak patuh membuat Odin marah. Sebagai hukuman, Odin mencabut kekuatan Thor, menganggapnya tidak layak, dan mengasingkannya ke Bumi sebagai manusia biasa. Ia juga mengirimkan palu saktinya, Mjölnir, ke Bumi, yang kini memiliki mantra hanya orang yang layak yang bisa mengangkatnya.
Thor terdampar di New Mexico, Amerika Serikat. Di sana, ia ditemukan oleh tim astrofisikawan yang terdiri dari Dr. Jane Foster, asistennya Darcy Lewis, dan mentornya Dr. Erik Selvig. Masyarakat sekitar menemukan Mjölnir, dan tak lama kemudian agen S.H.I.E.L.D., Phil Coulson, datang mengamankan palu tersebut dan menyita data Jane tentang wormhole yang membawa Thor ke Bumi.
Mengetahui lokasi Mjölnir, Thor berusaha untuk mengambilnya kembali dari fasilitas S.H.I.E.L.D. Ia mencoba mengangkat palu itu, namun gagal dan akhirnya tertangkap. Dengan bantuan Dr. Selvig, Thor berhasil dibebaskan. Ia mulai menerima pengasingannya di Bumi dan menjalin hubungan romantis dengan Jane Foster.
Sementara itu di Asgard, Loki menemukan kebenaran tentang dirinya. Ia ternyata adalah anak kandung Laufey, Raja Frost Giants, yang diadopsi oleh Odin setelah perang berakhir. Loki menghadapi Odin, yang kemudian jatuh ke dalam Odinsleep untuk memulihkan kekuatannya. Loki mengambil alih tahta Asgard dan menawarkan Laufey kesempatan untuk membunuh Odin dan merebut kembali Casket.
Sif dan Warriors Three tidak senang dengan kepemimpinan Loki dan berusaha untuk membawa Thor kembali dari pengasingan. Mereka meyakinkan Heimdall, penjaga Bifröst—jembatan antar dunia—untuk membuka jalan ke Bumi. Loki yang curiga dengan rencana mereka, mengirim Destroyer, sebuah automaton yang tampak tak terkalahkan, untuk mengejar dan membunuh Thor.
Para pejuang Asgard menemukan Thor, namun Destroyer menyerang dan dengan mudah mengalahkan mereka. Thor, melihat teman-temannya terluka, menawarkan dirinya sebagai gantinya. Saat hampir mati akibat serangan Destroyer, Thor membuktikan dirinya layak untuk Mjölnir. Palu itu kembali kepadanya, memulihkan kekuatannya dan memungkinkannya untuk mengalahkan Destroyer. Thor dan Jane berpamitan sebelum ia kembali ke Asgard bersama teman-temannya untuk menghadapi Loki.
Di Asgard, Loki mengkhianati dan membunuh Laufey. Thor tiba dan Loki mengungkapkan rencananya untuk menghancurkan Jotunheim menggunakan jembatan Bifröst. Thor dan Loki bertarung, dan Thor akhirnya menghancurkan jembatan Bifröst untuk menghentikan rencana Loki. Odin terbangun dan mencegah kedua putranya jatuh ke jurang yang tercipta akibat kehancuran jembatan. Odin menolak permohonan Loki untuk mendapatkan pengakuan, dan Loki membiarkan dirinya jatuh ke jurang.
Thor berbaikan dengan Odin, mengakui bahwa ia belum siap menjadi raja dan merindukan Jane. Sementara itu, di Bumi, Jane dan timnya mencari cara untuk membuka portal ke Asgard.
Di adegan post-credit, Dr. Selvig dibawa ke fasilitas S.H.I.E.L.D. Nick Fury membukakan sebuah koper dan memintanya untuk mempelajari objek berbentuk kubus misterius, yang menurut Fury menyimpan kekuatan yang tak terhitung. Loki yang tidak terlihat, yang selamat dari kejatuhannya dan tiba di Bumi, secara diam-diam mendorong Selvig untuk setuju.
