Zu Beginn des Films retten Thor (Chris Hemsworth) und die Guardians of the Galaxy gerade das Universum, als der Gott des Donners einen Notruf von seiner alten Mitstreiterin Lady Sif (Jamie Alexander) erhält. Diese kämpft auf einem anderen und weit entfernten Planeten gegen einen geheimnisvollen Feind und benötigt Thors Unterstützung. Er trennt sich von den Guardians, um Sif zu suchen, findet sie verletzt und andere Götter tot auf. Daraufhin macht er sich auf den Weg zur Erde, wo mittlerweile seine Heimat bzw. das neue Asgard liegt, nachdem das alte Asgard im Film „Thor: Tag der Entscheidung“ zerstört wurde. Hier trifft er auf Walküre (Tessa Thompson), die ihn über die Geschehnisse aufklärt.
Ein Wesen namens Gorr (Christian Bale) richtet im gesamten Universum Verwüstung an und hat auch zahlreiche Götter auf dem Gewissen. Um sie zu töten, setzt Gorr sein sogenanntes Nekroschwert ein, das auch riesige Monster erscheinen lassen kann, die er auf seine Feinde loslässt. Während seines Kampfes gegen den Gottesschlächter erhält Thor überraschende Unterstützung in der Gestalt seiner Ex-Freundin Jane Foster (Natalie Portman), die nun Thors Hammer Mjolnir trägt. Wir erinnern uns, dass nur Personen diesen Hammer aufheben können, die sich als würdig erweisen, und Jane scheint zu diesen Auserwählten zu gehören.
Nicht nur das: Wenn sie die Waffe verwendet, verwandelt sie sich in eine 1,80 Meter großen Superheldin, auch Mighty Thor genannt. Foster besuchte zuvor Asgard, um Thors alte Waffe zu reparieren, die ebenfalls im letzten Thor-Film in ihre Einzelteile zerlegt wurde. Thor, Jane Foster alias Mighty Thor, Valkyre und das Steinwesen Korg (Taika Waititi) schnappen sich ein Schiff, das von zwei sehr lauten Ziegen angetriebenen wird, und machen sich auf den Weg, um Gorr zu finden und zu besiegen.