在“索科维亚战役”两年后，雷神索尔（克里斯·海姆斯沃斯 Chris Hemsworth 饰）识破了洛基（汤姆·希德勒斯顿 Tom Hiddleston 饰）的伪装，辗转找到了被放逐到地球的奥丁（安东尼·霍普金斯 Anthony Hopkins 饰）。然而垂死的奥丁却告知两个儿子，“诸神的黄昏”已经开始，曾遭到奥丁封禁的死亡女神海拉（凯特·布兰切特 Cate Blanchett 饰）即将重返阿斯加德。与海拉的初次对决中，索尔失去了雷神之锤，他和洛基也被打落至混乱不堪的萨卡星。在萨卡的决斗场上，索尔重逢失踪许久的绿巨人，也见到了曾从海拉魔爪下逃得一生的女武神。 　　历经千辛万苦，索尔和战友们重返阴云密布的阿斯加德，去正视这注定要到来的“诸神的黄昏”……

疯狂的芭堤雅将军杜罗夫（米哈伊尔·戈尔沃伊MikhailGorevoy饰）预谋发动第三次世界大战，他制造了一场巨大的水域爆炸，致使附近的美军潜艇队遇袭。美国海军派出了海底经验丰富但名声寥寥的乔·格拉斯潜水艇船长（杰拉德·巴特勒GerardButler饰）率领潜艇队前去调查。

影片故事发在在《复仇者联盟4：终局之战》事件之后，雷神索尔（克里斯·海姆斯沃斯饰）踏上了一段他从未经历过的旅程：找回自我。但索尔的退休计划却被企图消灭众神的屠神者格尔（克里斯蒂安·贝尔饰）打断，他只好与女武神瓦尔基里（泰莎·汤普森饰）和寇格（塔伊加·维迪提饰）再次联手，其间更发现自己八年未见的前女友简·福斯特（娜塔莉·波特曼饰）获得了雷神之力、挥舞着多年前在自己面前毁灭的雷神之锤，令索尔惊讶不已。他们一起踏上了星际冒险，以揭开格尔的复仇之谜，并在为时已晚之前阻止他。