Film Thor: Love and Thunder membawa kita kembali ke petualangan epik Thor, sang Dewa Petir dari Marvel Cinematic Universe (MCU). Kali ini, Thor tidak lagi mencari jati diri atau tempat di antara para pahlawan bumi. Setelah pertempuran dahsyat melawan Thanos bersama Avengers, Thor bergabung dengan Guardians of the Galaxy, mencoba menemukan kedamaian dan tujuan baru di alam semesta yang luas. Namun, ketenangan Thor terusik ketika sinyal bahaya dari Sif sampai padanya, menandakan ancaman baru yang mengerikan.
Sif memberi tahu Thor tentang Gorr the God Butcher, seorang penjahat keji yang memiliki misi untuk memusnahkan semua dewa. Motivasi Gorr sendiri berasal dari tragedi masa lalunya yang pahit. Kehilangan putrinya tercinta di tengah dunia yang tandus dan pengabaian dari dewa yang ia sembah, Gorr menemukan Necrosword, senjata kuno yang memberinya kekuatan luar biasa untuk membunuh dewa. Namun, kekuatan ini juga membawa kutukan yang perlahan menggerogoti dirinya.
Sementara itu, di Bumi, Jane Foster, mantan kekasih Thor, tengah berjuang melawan penyakit kanker stadium empat yang mematikan. Putus asa dengan pengobatan medis konvensional, Jane memutuskan untuk pergi ke New Asgard, berharap palu Mjolnir yang pernah hancur, namun memiliki ikatan magis dengan Thor, dapat menyembuhkannya. Keajaiban terjadi, Mjolnir tidak hanya menyatu kembali, tetapi juga memilih Jane sebagai pemiliknya, memberinya kekuatan Thor dan mengubahnya menjadi Mighty Thor.
Kedatangan Thor di New Asgard bertepatan dengan serangan Gorr. Thor terkejut sekaligus kagum melihat Jane, yang kini menjadi Mighty Thor, bertempur dengan gagah berani menggunakan Mjolnir. Bersama Valkyrie dan Korg, mereka bahu-membahu melawan Gorr. Meskipun berhasil menggagalkan serangan awal, Gorr berhasil melarikan diri dan menculik anak-anak Asgardia, membawa mereka ke Dimensi Bayangan yang gelap.
Untuk menyelamatkan anak-anak tersebut dan menghentikan Gorr, Thor, Mighty Thor, Valkyrie, dan Korg melakukan perjalanan berbahaya ke Kota Omnipotence, tempat tinggal para dewa dari berbagai penjuru semesta. Mereka berharap para dewa bersedia membantu mereka menghadapi Gorr. Namun, Zeus, sang raja dewa, menolak permintaan mereka. Zeus merasa aman di kota tersembunyi mereka dan meremehkan ancaman Gorr. Bahkan, ia mencoba menangkap kelompok Thor karena khawatir keberadaan kota mereka akan terungkap.
Dalam pertempuran singkat dengan Zeus, Thor berhasil melukainya menggunakan petir Zeus sendiri, yang kemudian dibawa kabur oleh Valkyrie. Mereka melanjutkan perjalanan ke Dimensi Bayangan. Di tengah perjalanan, Thor baru mengetahui kondisi Jane dan penyakit kankernya.
Di Dimensi Bayangan, kelompok Thor kesulitan menemukan anak-anak Asgardia. Jane menemukan petunjuk dalam gambar kuno yang mengisyaratkan bahwa Stormbreaker, kapak perang Thor, dapat digunakan untuk membuka Bifrost menuju Eternity, sebuah tempat yang konon dapat mengabulkan satu permintaan. Jane menyadari bahwa Gorr mungkin menjebak mereka. Namun, Gorr berhasil mengalahkan mereka dan merebut Stormbreaker.
Kembali ke New Asgard, Thor menyadari bahwa kekuatan Mighty Thor Jane justru memperburuk kondisi kankernya. Thor memutuskan untuk pergi sendiri ke Eternity. Dengan menggunakan petir Zeus, ia memberikan kekuatan petirnya kepada anak-anak Asgardia untuk melawan monster bayangan Gorr. Jane, merasakan Thor dalam bahaya, datang membantu dengan Mjolnir. Bersama-sama, Thor dan Mighty Thor menghancurkan Necrosword, membebaskan Gorr dari pengaruh jahatnya.
Mereka bertiga kemudian dibawa ke dimensi Eternity. Saat Gorr hendak menyampaikan permintaannya, Thor memohon agar Gorr memilih untuk menghidupkan kembali putrinya daripada memusnahkan para dewa. Thor kemudian menemani Jane yang semakin melemah. Jane akhirnya meninggal dunia di pelukan Thor. Terharu dengan cinta dan pengorbanan Thor, Gorr menggunakan permintaannya untuk menghidupkan kembali Love, putrinya. Gorr meninggal dunia karena kutukan Necrosword, dan meminta Thor untuk menjaga Love.
Setelah kejadian tersebut, anak-anak Asgardia kembali ke New Asgard dan mulai dilatih oleh Valkyrie dan Sif. Sebuah monumen didirikan untuk mengenang Jane Foster. Thor mengadopsi Love dan mereka berdua berkelana bersama, Thor menggunakan Mjolnir dan Love menggunakan Stormbreaker.
Dalam adegan mid-credit, Zeus yang pulih di Kota Omnipotence memerintahkan putranya, Hercules, untuk membalas dendam pada Thor. Di adegan post-credit, Jane Foster tiba di gerbang Valhalla, disambut oleh Heimdall.
