Alors que sur Terre, l'astrophysicienne Jane Foster, grand amour de Thor, trouve par hasard une substance mystérieuse, l'Éther, que beaucoup croyaient perdue depuis longtemps, Thor part délivrer son frère adoptif, Loki, dans sa prison d'Asgard, car il a besoin de son aide. En effet, Malekith, un elfe noir jadis vaincu par Odin et les siens est de retour. Informé de la découverte de Jane, il veut récupérer l'Éther et l'utiliser pour faire triompher le monde des ténèbres. Tandis que l'humanité de Jane est altérée par l'Éther, Thor, utilisant les portails multidimentionnels qui mettent en contact les neuf mondes, doit lutter sur plusieurs fronts pour sauver le royaume.