Wieki temu Bor, ojciec Odyna, walczył z Mrocznymi Elfami dowodzonymi przez Malekitha pragnącego zniszczyć świat za pomocą broni o nazwie Eter. Po pokonaniu sił Malekitha, Bor zabezpiecza Eter w kamiennej kolumnie w Svartalfheimie. Malekith, jego porucznik Algrim i garstka Mrocznych Elfów uciekają i zapadają w letarg^[2][3].

Współcześnie w Asgardzie Loki przebywa w więzieniu za zaatakowanie Ziemi. Thor z wojownikami: Volstaggiem, Fandralem, Hogunem i Sif toczą ostatnią bitwę w Vanaheimie po rekonstrukcji Bifröstu, który został zniszczony dwa lata wcześniej. W Asgardzie dowiadują się, że niebawem nastąpi zbliżenie się Dziewięciu Krain, które doprowadzi do połączenia się ich portalami pojawiającymi się w sposób losowy^[2][3].

W Londynie astrofizyk doktor Jane Foster i jej stażystka Darcy Lewis udają się do opuszczonej fabryki, gdzie zaczęły się pojawiać portale oraz towarzyszące im zakłócenia praw fizyki. Foster zostaje teleportowana do innego świata, gdzie zostaje zainfekowana przez Eter. Haimdall informuje o tym Thora, a ten postanawia wyruszyć na Ziemię. Kiedy Thor odnajduje Foster, ta przypadkowo uwalnia z siebie pozaziemską siłę. Thor postanawia zabrać ją do Asgardu. Odyn odkrywa, że Foster ma w sobie Eter i ostrzega, że może to ją zabić^[2][3].

Malekith wyczuwając aktywność Eteru razem ze swoimi poddanymi budzi się z letargu. Atakują Asgard, by go zdobyć, lecz Frigga poświęca swe życie, by ich powstrzymać i zmusić do ucieczki. Mimo sprzeciwu ojca, Thor werbuje Lokiego i razem z Foster zastawiają pułapkę na Malekitha w Svartalfheimie. W zamian za pomoc Thor proponuje Lokiemu zemstę za zabicie ich matki. Z pomocą Fandrala, Volstagga, Hoguna i Sif, Thor, Loki i Foster wydostają się z Asgardu przez tajemniczy portal^[2][3].

Oszukując Malekitha, Loki oddaje mu Foster. Kiedy ten przejmuje od niej Eter, Thor próbuje zniszczyć substancję. Malekithowi udaje się połączyć z Eterem i ucieka na statek. Loki zostaje śmiertelnie ranny podczas walki z Algrimem. Thor obiecuje bratu, że poinformuje ojca o jego poświęceniu. Thor i Foster odkrywają kolejny portal w jaskini, dzięki któremu dostają się do Londynu. Tam spotykają się z Darcy i doktorem Erikiem Selvigiem. Dowiadują się, że Malekith chce zniszczyć świat za pomocą Eteru podczas zbliżenia się Dziewięciu Krain w Greenwich. Thor walczy z Malekithem. Za pomocą urządzeń Selviga Malekith zostaje przeniesiony do Svartalfheimu, gdzie zostaje zmiażdżony przez swój własny statek. Thor wraca do Asgardu, gdzie odrzuca ofertę ojca co do przejęcia tronu i informuje go o poświęceniu Lokiego. Kiedy odchodzi, postać Odyna okazuje się być Lokim w przebraniu^[2][3].

W scenie pomiędzy napisami, Volstagg i Sif zanoszą Eter do Kolekcjonera i powierzają go jego opiece. W Asgardzie znajduje się już Tesseract, a nie chcą dopuścić, aby w jednym miejscu znajdowały się dwa Kamienie Nieskończoności. W scenie po napisach Jane i Thor są znów razem na Ziemi, a gdzieś w Londynie szaleje stworzenie z Jotunheimu, które przypadkowo zostało przeniesione przez jeden z portali^[2][3].