在“索科维亚战役”两年后，索尔（克里斯·海姆斯沃斯 饰）得知诸神黄昏的预言并希望全力阻止火焰巨人苏尔特尔毁灭阿斯加德。索尔与洛基（汤姆·希德勒斯顿 饰）在奇异博士（本尼迪克特·康伯巴奇 饰）的指引下找到了奥丁（安东尼·霍普金斯 饰）。奥丁向他们兄弟二人道出他们还有一位姐姐——“死亡女神”海拉（凯特·布兰切特 饰）。在一场战斗里雷神之锤被海拉所毁，索尔跌下彩虹桥而来到了萨卡星，成为阶下囚。失去了锤子的索尔被逼展开角斗士对决，而对手居然是自己的老战友绿巨人（马克·鲁弗洛 饰）。索尔必须与绿巨人、洛基等人并肩战斗，才能阻止海拉和即将到来的诸神黄昏。

剧情承接《复仇者联盟》，纽约大战结束一年后，带着弟弟洛基（汤姆·希德勒斯顿 Tom Hiddleston 饰）回到仙宫的雷神索尔（克里斯·海姆斯沃斯 Chris Hemsworth 饰）将面对一股远古黑暗势力的挑战——复仇心切的黑暗精灵首领马勒凯斯（克里斯托弗·埃克莱斯顿 Christopher Eccleston 饰）率领神秘而强大的种族卷土重来，意欲将全宇宙笼罩在黑暗中。面对这样一个连奥丁在内整个仙宫都束手无策的劲敌，了解他们的人只有一个——洛基。不得不向洛基寻求帮助，并与之结盟，踏上有生以来最危险的征程——这次旅途固然会令他与地球恋人简·福斯特（娜塔丽·波特曼 Natalie Portman 饰）久别重逢，但也将迫使他牺牲一切，唯此才能拯救整个宇宙。

上一集的相会，无意改变了作曲家戴夫·塞维利亚（杰森·李 Jason Lee 饰）与三只可爱的花栗鼠艾尔文（贾斯汀·朗 Justin Long 配音）、西蒙（马修·格雷·库伯勒 Matthew Gray Gubler配音）与西奥多（杰西·麦卡尼 Jesse McCartney 配音），他们结伴出游，享受音乐的乐趣，当然也闹出不少的乱子和笑话。意外受伤的戴夫将三只小家伙托付给杰姬阿姨，还为他们办了入学手续。但杰姬阿姨也出了事故，艾尔文他们只能和戴夫不着调的侄子托比（扎克瑞·莱维 Zachary Levi 饰）混在一起，开始了校园生活，还结识了另外三只美丽可爱的小花栗鼠布列塔妮（克里斯蒂娜·艾伯盖特 Christina Applegate 配音）、埃莉诺（艾米·波勒 Amy Poehler 配音）与珍妮特（安娜·法瑞丝 Anna Faris 饰）。有趣、浪漫且韵律十足的校园故事轻松上演……本片荣获2010年美国儿童选择奖最受喜爱的影片。

比利·巴特森和其他孩子们虽然获得了超凡的神力和成人的外表，但仍处在青春期的他们还在学习如何平衡内心与外在的不同。但是当阿特拉斯的女儿——复仇三女神来到地球，寻找很久以前被偷走的神力时，比利·巴特森和家人们将为了守护他们的超能力、生命以及整个世界的命运而展开一场激战。

纽约大战后，雷神索尔将弟弟洛基带回仙宫囚禁起来，此外帮助九大国度平定纷争,威名扶摇直上。虽然父王奥丁劝其及早即位，但索尔念念不忘地球的美丽女孩简·福斯特，与此同时，简在和黛西及其助手伊安调查某个区域时意外被神秘物质入侵，却也因此重逢索尔。