A história do filme decorre após os eventos de "Vingadores: Endgame", onde Thor (interpretado por Chris Hemsworth) embarca numa jornada como nenhuma outra: a procura de si mesmo. No entanto, os planos de reforma de Thor são interrompidos por Gorr, o Carniceiro de Deuses (interpretado por Christian Bale), que pretende erradicar todas as divindades. Forçado a agir, Thor une-se mais uma vez à Valquíria (Tessa Thompson) e a Korg (Taika Waititi). Durante esta missão, ele surpreende-se ao reencontrar a sua ex-namorada, Jane Foster (Natalie Portman), a quem não via há oito anos, agora possuindo os poderes do Thor e brandindo o Mjolnir - o martelo que ele testemunhou ser destruído anos antes. Juntos, partem numa aventura cósmica para desvendar o mistério por trás da vingança de Gorr e detê-lo antes que seja tarde demais.