Il film, basato sull’omonimo personaggio e supereroe della Marvel, narra le gesta di Thor, figlio di Odino, re di Asgard.
Il protagonista indiscusso è Thor, interpretato da Chris Hemsworth, esiliato sulla terra dal padre Odino, perché, disattendendo le direttive paterne e desideroso di vendetta, aveva riaperto un conflitto con i Giganti di Ghiaccio. Thor infatti era stato privato di tutti i suoi poteri, nonché del martello di Mjolnir.
Durante la permanenza sul pianeta terra, verrà in contatto con la brillante scienziata Jane Foster, interpretata da Natalie Portman, nonché con la stagista di quest’ultima Darcy Lewis e con l’astrofisico Erik Selvig, che stavano studiando degli strani fenomeni nel deserto.
In questo capitolo della serie, il principale antagonista di Thor, sarà il fratello Loki (Tom Hiddleston), desideroso di potere e di diventare il nuovo re di Asgard.
Loki verrà a conoscenza della verità: egli in realtà è figlio del re dei Giganti di Ghiaccio che Odino lo aveva tratto in salvo anni orsono proprio perché Laufey lo aveva abbandonato per non avere gli standard della loro razza.
Altri membri del cast sono i fedeli compagni di battaglia di Thor, Lady Sif, Fandral, Volstagg e Hogun.