Hace eones, Bor, padre de Odín, se enfrenta al elfo oscuro Malekith, que pretende liberar un arma conocida como el Éter en los nueve reinos. Tras vencer a las fuerzas de Malekith, incluidos unos guerreros mejorados llamados los Kursed, en su mundo natal de Svartalfheim, Bor salvaguarda el Éter dentro de una columna de piedra. Sin que Bor lo sepa, Malekith y un puñado de Elfos Oscuros escapan en animación suspendida.

Mientras tanto, Thor, junto a los guerreros Fandral, Volstagg y Sif, repele a los merodeadores en Vanaheim, hogar de su camarada Hogun; es la batalla final de una guerra para pacificar los Nueve Reinos tras la reconstrucción del Bifröst, el "Puente Arco Iris" entre reinos, que había sido destruido dos años antes. [N 2] Los asgardianos pronto se enteran de que la Convergencia, una rara alineación de los Nueve Reinos, es inminente; a medida que se acerca el acontecimiento, aparecen al azar portales que unen los mundos.

En Londres, la doctora astrofísica Jane Foster y su becaria Darcy Lewis viajan a una fábrica abandonada donde han aparecido dichos portales, alterando las leyes de la física a su alrededor. Al separarse del grupo, Foster es teletransportada a otro mundo, donde absorbe el éter. Heimdall alerta a Thor de que Foster se ha alejado de su visión casi omnisciente, lo que lleva a Thor a la Tierra. Cuando Thor encuentra a Foster, ella libera inadvertidamente una fuerza sobrenatural, y Thor regresa con ella a Asgard. Odín, reconociendo el éter, advierte que éste no sólo matará a Foster, sino que su regreso anuncia una profecía catastrófica.

Malekith, despertado por la liberación del Éter, convierte a Algrim en un Kursed y ataca Asgard. Durante la batalla, Malekith y Algrim buscan a Foster, intuyendo que ella contiene el Éter. Frigga, la madre de Thor, muere protegiendo a Foster, y Malekith y Algrim se ven obligados a huir sin Foster. A pesar de las órdenes de Odín de no abandonar Asgard, Thor reclama a regañadientes la ayuda de Loki, que conoce un portal secreto a Svartalfheim, donde utilizarán a Foster para atraer y enfrentar a Malekith, lejos de Asgard. A cambio, Thor promete a Loki vengarse de Malekith por haber matado a su madre. Con Volstagg y Sif entreteniendo a los soldados asgardianos y Fandral ayudándoles a escapar, Thor, Loki y Foster se dirigen a Svartalfheim.

Allí, Loki engaña a Malekith para que extraiga el Éter de Foster, pero el intento de Thor de destruir la sustancia expuesta fracasa. Malekith se funde con el Éter y se marcha en su nave mientras Loki es herido de muerte al matar a Algrim. Thor, acunando a Loki en sus brazos, promete contarle a su padre su sacrificio. Después, Thor y Foster descubren otro portal en una cueva cercana y se reúnen en Londres con el mentor de Lewis y Foster, el Dr. Erik Selvig, que estuvo brevemente internado debido al trauma mental que sufrió durante el ataque de Loki a la Tierra. Se enteran de que Malekith planea restaurar el dominio de los Elfos Oscuros liberando el Éter en el centro de la Convergencia en Greenwich. Thor lucha contra Malekith a través de varios portales y a través de múltiples mundos hasta que un portal los separa, dejando a Malekith sin oposición en la Tierra. Thor regresa a tiempo para ayudar a sus compañeros mortales a utilizar su equipo científico para transportar a Malekith a Svartalfheim, donde es aplastado por su propia nave dañada.

Thor regresa a Asgard, donde rechaza la oferta de Odín de ocupar el trono y le habla del sacrificio de Loki. Mientras se marcha, la forma de Odín se transforma en Loki, que está vivo y se hace pasar por Odín.

En una escena a mitad de los créditos, Volstagg y Sif visitan al Coleccionista y le confían el Éter, comentando que con el Teseracto ya en Asgard, tener dos Piedras del Infinito tan cerca sería poco inteligente. Mientras se marchan, el Coleccionista declara su deseo de adquirir las otras cinco Piedras. En una escena posterior a los créditos, Foster y Thor se reúnen en la Tierra, mientras que en algún lugar de Londres, un monstruo de escarcha de Jotunheim -transportado accidentalmente a la Tierra durante la batalla final- continúa desbocado.