該片講述失去了雷霆之錘的雷神索爾被囚禁在宇宙另一端的星系中，爭分奪秒試圖回到阿斯加德，阻止擁有至尊神力的死神海拉發動巨大劫難——諸神的黃昏，摧毀阿斯加德及其所有的文明的故事。
在「索科維亞戰役」兩年後，雷神索爾（克里斯·海姆斯沃斯 Chris Hemsworth 飾）識破了洛基（湯姆·希德勒斯頓 Tom Hiddleston 飾）的偽裝，輾轉找到了被放逐到地球的奧丁（安東尼·霍普金斯 Anthony Hopkins 飾）。然而垂死的奧丁卻告知兩個兒子，「諸神的黃昏」已經開始，曾遭到奧丁封禁的死亡女神海拉（凱特·布蘭切特 Cate Blanchett 飾）即將重返阿斯加德。與海拉的初次對決中，索爾失去了雷神之錘，他和洛基也被打落至混亂不堪的薩卡星。在薩卡的決鬥場上，索爾重逢失蹤許久的綠巨人，也見到了曾從海拉魔爪下逃得一生的女武神。
歷經千辛萬苦，索爾和戰友們重返陰雲密布的阿斯加德，去正視這註定要到來的「諸神的黃昏」……