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Il film inizia con Natalie Portman, Kat Dennings e Stellan Skarsgard in un furgone nel deserto del New Mexico che osservano un fenomeno celeste. In quel momento Thor arriva sulla Terra. Natalie Portman accidentalmente lo colpisce con il furgone (farà lo stesso più avanti nel film).
Flashback di Thor a Asgard. Sta per essere nominato re dal padre (Anthony Hopkins), quando due giganti di ghiaccio si infiltrano nel palazzo e cercano di rubare uno scrigno che Odino aveva ottenuto durante una battaglia contro i giganti di ghiaccio sul loro pianeta.
Thor cerca di convincere il padre a muovere guerra contro i giganti dopo che questi hanno rotto la tregua con Asgard. Odino si rifiuta, Thor, Loki e altri tre soldati (tra cui Jaime Alexander) vanno sul pianeta di ghiaccio da soli.
Odino li va a salvare dai giganti di ghiaccio, proprio appena prima che vengano uccisi.
Thor viene condannato alla detenzione, e viene visitato da Loki, che gli dice che Odino è morto (in realtà è in una sorta di coma).
Thor si confronta con il Distruttore, e si scusa con Loki per aver provocato il suo risentimento dopo la nomina di Loki a re di Asgard.
In realtà era stato Loki ad aiutare i giganti di ghiaccio a infiltrarsi ad Asgard. Loki aveva fatto un accordo con il re dei giganti di ghiaccio secondo il quale Loki avrebbe aiutato il re dei giganti a uccidere Odino, e in cambio avrebbe avuto il controllo completo di Asgard (si trattava però di una menzogna).
Thor distrugge il distruttore colpendolo alla testa con il suo martello.
Thor bacia Natalie Portman prima di tornare ad Asgard per confrontarsi con Loki - che uccide il gigante di ghiaccio non appena questi sta per uccidere Odino (Loki, in sostanza, ha fatto tutto questo per ottenere il rispetto di Odino).
Thor sconfigge Loki sul Ponte "arcobaleno" Bifröst. Lui e Loki sono appesi al bordo del ponte, e stanno per essere risucchiati da un wormhole, quando Odino (che ha ripreso conoscenza quando Thor è tornato ad Asgard) giunge in loro soccorso. Loki dice a Odino di aver fatto tutto questo "per lui", ma Odino risponde che non vuole una pace "come quella". Loki realizza di aver fallito e di non essere riuscito a ottenere l'ammirazione del padre ancora una volta, e così si lascia andare nel wormhole.
Tornati al palazzo di Asgard, sembra che tutto sia tornato al suo posto. Vediamo Thor davanti a quello che resta del ponte arcobaleno, chiedendo al guardiano del portale (Idris Elba) che ne è stato di Natalie Portman sulla Terra. Il ponte è praticamente distrutto perché Thor non voleva che Loki andasse sulla Terra a uccidere Natalie Portman, come minacciava di fare.

Il guardiano risponde che "lei ti sta cercando": nella scena finale del film vediamo Natalie Portman, Kat Dennings e Stellan Skarsgard dentro al laboratorio, al lavoro con i loro strumenti scientifici.


Thor non indossa quasi mai l'elmetto, se non durante la scena di flashback all'inizio del film.
Nonostante le rivelazioni di The Wrap, nel montaggio mostrato non era presente alcun cammeo di Occhio di Falco (anche se questo genere di scene vengono aggiunte successivamente). 
Stan Lee interpreta un camionista che cerca di liberare dal terreno il martello di Thor nella prosecuzione della scena mostrata alla fine di Iron Man 2. Per farlo, lo incatena al proprio camion, ma non ci riesce.