La película encuentra a Thor (Chris Hemsworth) en un viaje diferente a todo lo que ha enfrentado: una búsqueda de paz interior. Pero su retiro es interrumpido por un asesino de la galaxia conocido como Gorr, el Carnicero de Dioses (Christian Bale), que busca la extinción de los dioses. Para combatir la amenaza, Thor solicita la ayuda del rey Valkyrie (Tessa Thompson), Korg (Taika Waititi) y su ex novia Jane Foster (Natalie Portman), quien, para sorpresa de Thor, empuña inexplicablemente su martillo mágico, Mjolnir, como el Poderoso Thor. Juntos, se embarcan en una terrorífica aventura cósmica para descubrir el misterio de la venganza del Carnicero de Dioses y detenerlo antes de que sea demasiado tarde.