Le film suit le dieu du tonnerre, en quête de paix intérieure dans un voyage sans précédent. Sa retraite est vite interrompue par un tueur galactique connu sous le nom de Gorr the God Butcher, qui souhaite l'extinction des dieux. Pour combattre la menace, Thor demande l'aide de King Valkyrie, de Korg et de son ex-petite amie Jane Foster, qui, à sa grande surprise, manie Mjolnir, son marteau magique, avec une grande agilité. Ensemble, ils se lancent dans une aventure cosmique déchirante tentant de découvrir le mystère caché derrière Gorr et son besoin de vengeance. Ils tenteront tout en leur pouvoir pour l'arrêter avant qu'il ne soit trop tard.