勇猛好战的托尔（克里斯·海姆斯沃斯 Chris Hemsworth 饰）是永恒境界阿斯加德的王位继承人，深受众人敬仰。然而，一次冲动鲁莽的行动险些引发一场延续已久的战争，天神奥丁（安东尼·霍普金斯 Anthony Hopkins 饰）因此将他流放到人间。来到地球后，托尔结识了美丽的女科学家珍·福斯特（娜塔莉·波特曼 Natalie Portman 饰）及她的工作伙伴。在他们的帮助下，托尔找到了与自己一同被放逐的雷神之锤，却发现这件神器已经不再属于他。
与此同时，托尔的弟弟洛基为夺取阿斯加德的王位，暗中与寒冰巨人联手，妄图在永恒境界掀起一场灾难。为维护永恒之界的秩序，托尔的四位朋友来到人间，试图带他返回阿斯加德。为了阻止托尔重返永恒境界，洛基派出巨人追杀他。失去神力的托尔为了保护无辜的人类和朋友，甘愿牺牲自己。正是这份牺牲打破了奥丁施加的咒语，使托尔死而复生，并重新获得雷神之力，最终击败巨人。
此时，奥丁的生命危在旦夕，托尔也必须与朋友们一同返回永恒之界，守护那里的秩序。本片改编自传奇漫画家斯坦·李（Stan Lee）与杰克·科比（Jack Kirby）于1962年推出的《雷神》连载漫画。
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