Universums existens är i fara när en mäktig förhistorisk fiende hotar att kasta in hela kosmos i ett evigt mörker. Thor (Chris Hemsworth) återförenas med Jane Foster (Natalie Portman) och tvingas forma en allians med sin förrädiska bror Loki (Tom Hiddleston) och ge sig ut på en farofylld jakt för att rädda Asgård och jorden från undergång.