Thuở sơ khai, cha của thần Odin, Bor đã chiến đấu với kẻ thù truyền kiếp Dark Elf Malekith, người tìm cách phá hủy vũ trụ bằng việc sử dụng một vũ khi dạng lỏng được gọi là Aether (thực chất là Viên đá vô cực Hiện Thực). Sau khi đánh bại đội quân của Malekith, bao gồm cả những chiến binh cường hóa được gọi là Kursed, Bor đã quyết định niêm phong Aether trong một cột đá vì không phá hủy được nó. Tuy nhiên Malekith cùng thuộc hạ thân tín của hắn, Algrim và các Dark Elf còn sót lại sau cuộc chiến đã trốn thoát và ẩn dật chờ ngày báo thù.

Tại Asgard hiện tại, Loki bị bắt và tống vào ngục tù vì tội ác chiến tranh mà hắn đã gây ra trên Trái Đất. Trong khi đó Thor cùng các chiến binh trung thành Fandral, Volstagg và Sif tiếp tục chiến đấu tại Vanaheim, vương quốc láng giềng của người Hogun. Đó cũng là trận chiến cuối cùng trong cuộc chiến bảo vệ hòa bình của Chín Hành Tinh, sau khi Cầu Nối Chín Vương quốc Bifröst đã bị phá hủy hai năm trước đó, nay đã được khôi phục. Các chiến binh Asgard cũng biết rằng sắp xảy ra một hiện tượng hiếm hoi trong lịch sử gọi là Sự Hội Tụ khi Chín Hành Tinh cùng nằm trên một đường thẳng và sẽ xuất hiện một loạt các cổng liên kết các thế giới với nhau.

Tại London, tiến sĩ vật lý thiên văn Jane Foster cùng thực tập sinh của cô là Darcy Lewis đã đi thám hiểm một nhà máy bị bỏ hoang, nơi cổng liên kết các thế giới xuất hiện và phá vỡ tất cả các quy tắc vật lý xung quanh họ. Jane vô tình bị cuốn vào cổng liên kết đó tới nơi phong ấn Aether, rồi bị chính nó xâm nhập. Khi Heimdall dùng khả năng nhìn xuyên thấu không gian đến Trái Đất thì không thấy Jane, khiến Thor vội vàng đến đó tìm cô. Khi Thor thấy Jane, cô vô tình phát ra một năng lượng kinh hoàng khiến Thor buộc phải đưa cô đến Asgard chữa trị. Sau khi Odin phát hiện được Aether đang ở trong người Jane, ông đã cảnh báo Thor về điềm báo của một lời tiên tri thảm khốc có từ ngàn xưa.

Malekith được đánh thức bởi năng lượng của Aether, biến Algrim thành Kursed cuối cùng và tấn công Asgard. Trong trận chiến, Malekith và Algrim tìm kiếm Jane, cảm nhận được cô có Aether. Mẹ của Thor là Frigga bị giết khi bảo vệ Jane, còn Malekith và Algrim buộc phải bỏ đi mà không bắt được Jane. Bất chấp lệnh của Odin là ở lại Asgard, Thor miễn cưỡng nhờ sự giúp đỡ của Loki, người biết về một cổng bí mật dẫn đến Svartalfheim, nơi mà họ sẽ sử dụng Jane để thu hút và đối đầu với Malekith tại hành tinh của hắn. Đổi lại, Thor hứa cùng với Loki trả thù Malekith vì đã giết chết mẹ của họ (bản thân Loki còn hối hận vì đã dẫn đường cho Algrim, gián tiếp dẫn tới cái chết của Frigga, người duy nhất dạy dỗ và yêu thương mình). Với việc Volstagg và Sif ngăn cản các chiến binh Asgard và Fandral giúp họ trốn thoát, Thor, Loki và Jane cùng nhau đến Svartalfheim.

Khi đến nơi, Thor và Loki đã vờ mâu thuẫn, cố ý để Malekith lấy Aether ra từ Jane, rồi Thor phóng một tia sét mạnh để phá hủy Aether nhưng thất bại. Malekith nhập với Aether, còn Loki bị trọng thương sắp chết khi giết Algrim. Thor ôm Loki trong vòng tay của mình, hứa sẽ nói với cha mình về sự hy sinh của anh. Sau đó, Thor và Jane phát hiện ra một cổng trong một hang động gần đó và đến London đoàn tụ với Darcy cùng người cố vấn của Jane, Tiến sĩ Erik Selvig - người đã được điều trị một thời gian ngắn do các chấn thương tinh thần ông phải chịu đựng trong cuộc tấn công của Loki trên Trái Đất. Họ biết rằng Malekith có kế hoạch khôi phục lại Dark Elf và thống trị vũ trụ bằng cách giải phóng Aether từ trung tâm của Sự Hội Tụ tại Greenwich. Thor chiến đấu với Malekith thông qua các cổng khác nhau và qua nhiều thế giới cho đến khi có một cánh cổng ngăn cách họ, để cho Malekith không mấy khó khăn đến Trái Đất. Thor trở lại giúp đỡ những người đồng chí sinh tử của mình sử dụng thiết bị khoa học của họ nhằm vận chuyển Malekith đến Svartalfheim, nơi hắn bị nghiền nát bởi con tàu bị hư hại của mình.

Thor trở về Asgard, nơi anh từ chối lời đề nghị lên ngôi vua của Odin và nói với Odin về sự hy sinh của Loki. Sau khi Thor rời khỏi, Odin lúc này hiện nguyên hình là Loki cải trang (đồng nghĩa với việc Loki đã giả chết), mãn nguyện với kế hoạch thành công mỹ mãn của mình. Giờ đây Loki chính thức thống trị Asgard.

Trong một cảnh mid-credits, Volstagg và Sif đến thăm Tivan và giao hộp đựng Aether cho ông ta, giải thích rằng Tesseract đang ở Asgard và để hai Infinity Stone quá gần nhau sẽ rất nguy hiểm. Khi họ rời đi, Tivan nói "Được một cái, còn năm nữa". Trong một đoạn post-credits, Jane và Thor tái hợp nhau trên Trái Đất trong khi ở đâu đó tại London, một con quái vật băng giá từ Jotunheim vô tình được đưa đến Trái Đất trong trận chiến cuối cùng, nó tiếp tục chạy điên cuồng.