Многие тысячи лет назад отец Одина и прародитель человечества, Бёр, вел войну с Темными эльфами во главе с Малекитом, который стремился силой Эфира уничтожить все Девять королевств и вернуть Вселенную к ее изначальному состоянию, чтобы воцариться над ней. Потерпев сокрушительное поражение в финальной битве, Малекит скрылся в другом измерении с половиной своей армии, а Бёр велел спрятать Эфир так, чтобы никто больше не смог воспользоваться его мощью.

В наше время Тор фактически правит Асгардом и следит за порядком во всех Девяти мирах, в то время как Локи заточен в тюрьму в наказание за события, произошедшие в фильме «Мстители». Проблемы начинаются тогда, когда Джейн Фостер, возлюбленная Тора, случайно находит Эфир, который проникает в ее тело. Тор забирает Джейн в Асгард, но сила Эфира пробуждает армию Малекита, которая тут же нападает на город.

В результате осады Темные эльфы похищают Джейн, а мать Тора погибает. В отчаянии освобождает брата из темницы, и вместе они пытаются проникнуть в Царство тьмы, чтобы отомстить и спасти возлюбленную.

Первая сцена фильма, битва между Асами и Темными эльфами, происходившая за 5000 лет до начала фильма, сделана в основном с помощью компьютерной графики, потому что сложные и тяжелые комплекты брони участников с обеих сторон войны не позволяли актерам свободно двигаться.

Улицы Асгарда не были нарисованы на компьютере: это реально отстроенный павильон, самый большой, что когда-либо создавали для фильмов Марвел, с тщательно воссозданными магазинчиками и пабами.

В фильме представлено около 30 вариантов молота Тора разного размера и веса, для более комфортного и практичного пользования в каждом отдельном эпизоде. Его дизайн также претерпел изменения по сравнению с «Мстителями». Всего же для съемок было создано более 600 единиц оружия.

Кеннет Брана, режиссер предыдущей части фильма, в этот раз выступил в роли продюсера. Режиссер фильма Алан Тейлор рассказывал, что пытался воплотить в фильме идею Браны рассказать историю о двух братьях и отношениях между ними, которые привносят человечность в мир богов, волшебных существ и супергероев.

Ранее Тейлор поставил несколько эпизодов культового сериала «Игра престолов». Он также пригласил на проект оператора Крамера Монтегю, с которым он работал над сериалом, и вместе они попытались придать фильму мрачный, нордический стиль, вдохновленный вселенной Льда и Пламени.

Чтобы сделать Асгард более реалистичным, Монтегю на протяжении трех дней снимал побережье Норвегии с вертолета. Позже к этим кадрам с помощью компьютерной графики был приделан Город Асов. Такой же трюк был проделан с дизайном родного мира Темных эльфов. Для него были сняты побережья Исландии.

Изначально режиссерское кресло должна была занять Пэтти Дженкинс, которая стала бы в этом случае первой женщиной-режиссером супергеройского кино. Из-за разногласий с Marvel она покинула проект, и впоследствии осуществила тот же рекорд, поставив для их конкурентов, студии DC, фильм «Чудо-женщина».

В первоначальной концовке фильма Джейн бросает Тора, так как понимает, что у каждого из них своя жизнь в своем мире. В итоге создатели фильма отбросили этот вариант и быстро сняли альтернативную концовку, в которой они остаются вместе. По забавному совпадению сюжет третьей части последует событиям именно первого варианта окончания картины. Это происходит из-за решения Натали Портман разорвать контракт со студией и покинуть вселенную Марвел.

Режиссером сцены после титров, отсылающей к будущем событиям «Мстителей» и «Стражей галактики», является постановщик этих фильмов Джеймс Ганн.