Фильм начинается с трагедии: Горр бредёт по иссушённой пустыне со своей умирающей дочерью. После её смерти он находит своего бога Рапу, который смеётся над его преданностью. Голос Некромеча призывает Горра: он убивает Рапу и клянётся уничтожить всех богов.
Тем временем на Земле доктор Джейн Фостер узнаёт, что у неё рак четвёртой стадии. В поисках спасения она приезжает в Новый Асгард, где осколки Мьёльнира собираются воедино и наделяют её силой Тора. Позже выясняется скрытый смысл: много лет назад Тор неосознанно наложил на молот чары — всегда защищать Джейн, что и пробудило артефакт. Однако магия молота очищает её тело от токсинов, тем самым нейтрализуя действие химиотерапии и ускоряя смерть в смертном обличье.
Горр атакует Новый Асгард и похищает детей, чтобы заманить Тора и забрать Громсекиру: топор способен открыть Радужный мост (Биврёст) к Вратам Вечности — сущности, исполняющей первое желание вошедшего. Герои отправляются за подмогой во Всемогущий город, но Зевс отказывает им из трусости и гедонизма. Завязывается бой, Тор пробивает Зевса его собственной молнией, и команда забирает Молнию Зевса.
В Царстве Теней Горр побеждает героев и забирает Громсекиру. Тор запрещает слабеющей Джейн идти на финальную битву и отправляется к Вечности один. Там он временно наделяет похищенных детей силой Тора через Молнию Зевса, и они вместе сражаются с теневыми монстрами. Джейн, чувствуя смертельную опасность для Тора, использует Мьёльнир в последний раз. Она разбивает Некромеч на куски и уничтожает его внутри молота.
Горр успевает открыть врата Вечности. Тор отказывается от битвы и садится рядом с умирающей Джейн, говоря Горру, что тот волен загадать гибель богов, но Тор выбирает провести последние секунды с любовью всей жизни. Это пробуждает в Горре остатки человечности. Вместо геноцида богов он загадывает воскресить свою дочь. Умирая от яда Некромеча, Горр просит Тора позаботиться о девочке. Джейн рассыпается золотым звёздным прахом на руках Тора.
В эпилоге Тор воспитывает девочку, получившую имя Любовь (Love). Она владеет Громсекирой, а Тор вернул себе восстановленный Мьёльнир: дуэт путешествует по галактике, сражаясь за добро под именем «Любовь и Гром».