神の世界アスガルドの王オーディン（アンソニー・ホプキンス）の息子ソー（クリス・ヘムズワース）は、選ばれた者しか持つことのできない伝説の武器“ムジョルニア”を手に、最強の戦士としてその力を誇っていた。しかし強すぎるあまりその傲慢さから、氷の巨人の世界へ身勝手に攻め込み、アスガルドを戦乱の危機に陥れる。その行為に怒ったオーディンはソーの力とムジョルニアを奪い、地球へと追放する。地球の荒野で目覚めたソーは、天文学者ジェーン（ナタリー・ポートマン）たちの乗った車に追突される。ジェーンたちはソーを病院へ連れていくが、ソーはそこでも暴れ出す。ソーは慣れない人間生活を送るが、ジェーンとの出会いによって人間の痛みや弱さを学び、彼女に心を奪われていく。一方そのころ神の世界では、邪神ロキ（トム・ヒドルストン）がアスガルド征服を狙い、陰謀を企てていた。ソーの護衛であったホーガン（浅野忠信）、ヴォルスタッグ（レイ・スティーヴンソン）、ファンドラル（ジョシュア・ダラス）の三銃士は、国家の危機をソーに伝えるため地球へやってくる。しかしロキは、破壊者デストロイヤーというマシンをソーに向けて放っていた。さらに危機は、ジェーンにまで迫っていた。ソーは力を取り戻し、地球と神の世界を救うことができるのだろうか？