In de film maakt Thor (Chris Hemsworth) een nieuwe soort reis: een zoektocht naar zichzelf. Maar zijn pensioen wordt onderbroken door de galactische moordenaar Gorr (Christian Bale), die uit is op de vernietiging van de goden. Om de dreiging te bestrijden, roept Thor de hulp in van Valkyrie (Tessa Thompson), Korg (Taika Waititi) en ex-vriendin Jane Foster (Natalie Portman), die op onverklaarbare wijze zijn magische hamer, Mjolnir, hanteert als de Machtige Thor. Samen beginnen ze aan een spannend kosmisch avontuur om het mysterie van de wraak van Gorr te ontrafelen en hem te stoppen voor het te laat is.