Брат Тора, Локи, после тех событий подталкивает не состоявшегося правителя Асгарда к нарушению запрета, в итоге в Ётунхейм отправляются шестеро: Тор и Локи, леди Сиф, Фандрал, Огун и Вольштагг. В мире ледяных великанов Тор пытается выяснить, кто отправил ётунов в Асгард, он также хочет понять, кто помог ледяным великанам пробраться в Хранилище. Завязывается битва между асами и ледяными великанами, в ходе которой ётуны используют свои способности – они могут замораживать асов прикосновением. Один из ётунов прикасается к Локи, однако младший принц не получает ожога – его рука неожиданно становится синей, как у ётунов. Локи убивает ледяного великана, ставшего свидетелем этой трансформации.

В битве Фандрал получает ранение, сам бой заканчивается практически поражением – в самый последний момент вмешивается Один. Он забирает с собой сыновей, троицу воинов и леди Сиф. Вернувшись в Асгард, Один забирает у Тора его силу и изгоняет в мир людей, Мидгард.

Падение Тора из Асгарда видит учёная Джейн Фостер. Вместе с ней в этот момент также находится аспирантка Дарси Льюис и доктор Эрик Селвиг. Они случайно сбивают Тора и забирают его в больницу. Недалеко от места падения Тора приземляется и его верное оружие – молот Мьёльнир.

В это же время в Асгарде Локи узнаёт, что он является ётуном по рождению, сыном Лафея. Во время напряжённого разговора Один впадает в Сон Одина, а Локи становится царём Асгарда. Троица воинов вместе с леди Сиф приходит к новому царю и пытается уговорить его отменить ссылку Тора, но Локи отказывается.

Сам Тор в это время учится жить как обычный смертный. Также он узнаёт, где находится Мьёльнир и пытается его поднять, но молот остаётся недвижим. Его арестовывают представители агентства Щ.И.Т. Тогда же появляется Локи – он говорит уже почти сломленному брату, что их отец мёртв.

Фостер вызволяет Тора из рук агентов, а Локи отправляется в Ётунхейм и предлагает Лафею убить Одина. В то же время леди Сиф вместе с Троицей воинов, ослушавшись приказа нового царя Асгарда, отправляются на Землю за Тором. Локи замораживает всевидящего Хаймдалла, а также отправляет за воинами Разрушителя. Леди Сиф с Троицей воинов пытается одолеть Разрушителя, но у них ничего не выходит, тогда Тор принимает решение пожертвовать собой вместо них – Разрушитель даёт Тору пощёчину, от которой тот практически умирает. В последний момент к нему возвращается его сила и Мьёльнир. Тор уничтожает Разрушителя и вместе с друзьями пытается вернуться в Асгард. Зов Тора разрушает заклятье, наложенное Локи на Хаймдалла, и асы оказываются в Асгарде.

В это время Лафей пытается убить Одина, но в последний момент его убивает Локи, из-за чего становится понятен его настоящий план – спасти жизнь отцу от подстроенного нападения. Также он хочет уничтожить весь Ётунхейм с помощью силы Радужного моста. Но в этом ему мешает Тор, с которым он сражается на самом Биврёсте. Для того чтобы помешать Локи, Тору приходится разрушить Радужный мост. Из-за этого оба принца падают в Бездну, находящуюся под Радужным мостом, но их спасает Один. Локи удерживается за жезл, он говорит отцу, что у него бы всё получилось, но, увидев неодобрение своего плана, он разжимает руку и падает в Бездну.

В конце титров зрителям показывают ещё одну сцену, в которой доктору Селвигу предлагают работать с Тессерактом, и он соглашается – это внушил ему Локи, которого видно в отражении зеркала.

В фильме «Тор 2: Царство тьмы» Радужный мост, наконец, удаётся починить, после чего Тор отправляется наводить порядок в подконтрольных Асгарду мирах, на которые начали нападать мародёры. Джейн в это время оказывается под воздействием Эфира – эта древняя сила принадлежит тёмным эльфам. В это же время тёмные эльфы, пытавшиеся много тысячелетий назад уничтожить с помощью Эфира все Девять миров, чувствуют пробуждение Эфира.

Тор забирает Джейн в Асгард, где её под опеку берёт Фригга, мать Тора. Через некоторое время на Асгард нападают тёмные эльфы – им нужен Эфир. Во время нападения Фригга погибает, после чего Тор идёт за помощью к Локи, который осуждён на вечное тюремное заключение за свои злодеяния. Локи знает тайные тропы между мирами, а Тору нужно попасть в мир тёмных эльфов, чтобы попытаться уничтожить и самих эльфов, и Эфир. Локи соглашается принять участие в этой авантюре, так как жаждет мести за смерть матери.

Однако план Тора не срабатывает – Малекит, предводитель тёмных эльфов, извлекает из Фостер Эфир, после чего завязывается битва, в которой Локи спасает Тора и Фостер, пожертвовав своей жизнью. Оставив тело брата, Тор уходит в Мидгард, где вместе с Фостер и Селвигом разрабатывает план, с помощью которого им всё же удаётся одолеть Малекита и отправить всё его войско в разрушенный мир тёмных эльфов.

В Асгарде Тор просит Одина освободить его от бремя царствования, что тот и делает, отпуская сына с миром. Кроме того, во время разговора с отцом Тор рассказывает о самопожертвовании Локи. Когда Тор уходит, образ Одина меняется – оказывается, что на троне сидит живой и невредимый Локи.

После титров, по традиции, специально для фанатов оставлено несколько сцен. В одной из сцен зрителям показывают передачу Эфира некоему Коллекционеру – асы приняли решение не хранить в одном месте и Эфир, и Тессеракт, поэтому передали Эфир могущественному существу. А во второй сцене показан Тор, прибывший на Землю к своей возлюбленной Джейн Фостер – из этой сцены ясно видно, что Тор остаётся на Земле со смертной.