Thor (Chris Hemsworth) entreprend un voyage différent de tout ce qu'il a connu jusqu'à présent : une quête de paix intérieure. Mais sa retraite est interrompue par un tueur galactique connu sous le nom de Gorr le boucher des dieux (Christian Bale), qui cherche à faire disparaître les dieux. Pour combattre la menace, Thor demande l'aide du roi Valkyrie (Tessa Thompson), de Korg (Taika Waititi) et de son ex-petite amie Jane Foster (Natalie Portman), qui - à la surprise de Thor - manie inexplicablement son marteau magique, Mjolnir. Ensemble, ils se lancent dans une aventure cosmique poignante pour découvrir le mystère de la vengeance du Dieu Boucher et l'arrêter avant qu'il ne soit trop tard.