Năm 965, Odin (Anthony Hopkins), vị vua xứ Asgard, phát động chiến tranh chống bọn người khổng lồ băng (Frost Giants) xứ Jotunheim và cầm đầu bọn chúng là Laufey (Colm Feore), để ngăn ngừa việc chúng thống trị Chín Vương Quốc (Nine Realms), bắt đầu là Trái Đất. Lực lượng Asgard đã đánh bại lũ khổng lồ và tịch thu nguồn năng lượng của chúng là Chiếc tráp mùa đông vĩnh cửu (Casket of Ancient Winters), mặc dù Odin mất mắt phải trong cuộc chiến này.

Trong hiện tại, con trai của Odin là Thor (Chris Hemsworth) được vua cha trao chiếc búa Mjolnir, đang chuẩn bị kế vị ngai vàng trị vì Asgard, thì phải bỏ dở vì bọn khổng lồ đột nhập định lấy lại cái tráp, tuy những tên trộm đã bị tiêu diệt ngay bởi Kẻ hủy diệt (the Destroyer) - bộ giáp rỗng làm nhiệm vụ canh gác kho tàng. Mặc cho Odin ngăn cấm, Thor cùng em trai Loki (Tom Hiddleston), người bạn thời thơ ấu Sif (Jaimie Alexander) và bộ ba chiến binh (Volstagg (Ray Stevenson) - Fandral (Joshua Dallas) - Hogun (Tadanobu Asano) tìm đến Jotunheim gây hấn với Laufey. Một trận chiến nảy lửa diễn ra, nhưng bất lợi nghiêng dần về phía các chiến binh Asgard đến khi Odin đến giải cứu, kết thúc hòa bình tạm thời giữa hai bên. Sau khi trở về Asgard, Odin dạy con trai mình bằng cách tước bỏ sức mạnh của Thor và đày con xuống Trái Đất. Ông ném Mjolnir - vũ khí của Thor cũng xuống Trái Đất, sau khi yểm bùa: "Bất cứ ai cầm chiếc búa này và nếu xứng đáng, sẽ được sở hữu sức mạnh của Thor".

Thor rơi xuống New Mexico, nhà nghiên cứu vật lý học thiên thể Jane Foster (Natalie Portman), trợ tá Darcy Lewis (Kat Dennings) và tiến sĩ Erik Selvig (Stellan Skarsgård) phát hiện ra anh. Còn những người dân địa phương tìm thấy chiếc búa Mjolnir, sau đó bị một nhân viên của tổ chức SHIELD là Phil Coulson (Clark Gregg) trưng dụng, mặc dù không ai lấy nổi chiếc búa. Rồi Coulson tước đoạt những dữ liệu của Jane về lỗ sâu đã đưa Thor tới Trái Đất. Thor khi biết được chiếc búa Mjolnir ở đâu, đã tìm đến nơi đó để lấy lại, nhưng cũng không nhấc nổi chiếc búa và bị bắt giữ. Nhờ tiến sĩ Selvig, Thor được trả tự do và ở lại Trái Đất vì đã phải lòng Jane.

Loki khám phá được chuyện mình là con bị bỏ rơi của Laufey, và được Odin đem về nuôi khi chiến tranh với thị tộc Jotunheim kết thúc. Odin cãi nhau với Loki và vì căng thẳng quá độ đã sớm rơi vào "giấc ngủ của Odin" để hồi phục sức khỏe, Loki kế vị và bảo Laufey đến giết Odin giành lại chiếc tráp, tiết lộ rằng chính hắn đã chỉ đường đột nhập cho bọn khổng lồ vì đố kị với Thor. Hắn còn nói dối Thor rằng Odin đã chết. Sif và bộ ba chiến binh không phục Loki, đã xin Heimdall (Idris Elba) - người canh gác cây cầu Bifröst cho họ đến Trái Đất để tìm Thor. Nhờ vậy Thor mới biết mình đã bị lừa. Phát hiện được, Loki phái Kẻ hủy diệt truy lùng họ và trừ khử Thor. Các chiến binh tìm ra Thor, nhưng Kẻ hủy diệt đã tới và đánh bại họ, dụ dỗ Thor phải nộp thân mình để cứu họ. Thor bị hạ gục và nằm chờ chết, nhưng sự hy sinh của Thor đã chứng tỏ anh có xứng đáng với búa Mjolnir. Chiếc búa bay về tay Thor, giúp Thor khôi phục sức mạnh để đánh bại Kẻ hủy diệt. Sau khi hôn từ biệt Jane và hứa sẽ trở về, Thor cùng đồng đội quay lại Asgard để chống lại Loki.

Tại Asgard, Loki giết luôn Laufey, bộc lộ âm mưu dùng hành động của Laufey làm cái cớ để tiêu diệt xứ Jotunheim bằng cây cầu Bifröst, nhằm chứng tỏ năng lực bản thân với Odin. Thor xuất hiện và đánh bại Loki, sau đó hủy diệt cây cầu Bifröst để ngăn chặn âm mưu của Loki. Odin thức dậy và cứu hai anh em không bị rơi xuống vực khi cây cầu gãy ra, nhưng Loki đã tự buông tay để mình rơi xuống. Thor tạ lỗi Odin, thú nhận mình vẫn còn nhiều điều để học, trong khi ở Trái Đất, Jane và nhóm của mình tìm lối để đến xứ Asgard.

Trong cảnh sau phần giới thiệu hết phim, tiến sĩ Selvig được đưa đến cơ quan của tổ chức SHIELD, tại đây Nick Fury (Samuel L. Jackson) nhờ ông nghiên cứu một khối lập phương sáng chói, mà Fury bảo là nó chứa một sức mạnh bí ẩn. Loki sử dụng ảo ảnh nói chuyện đã thuyết phục Selvig đồng ý.