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En el presente, el hijo de Odín, Thor se prepara para ascender al trono de Asgard, pero es interrumpido cuando los Gigantes de Hielo intentan recuperar el Cofre. En contra de las órdenes de Odín, Thor viaja a Jotunheim para confrontar a Loki, acompañado por su hermano Loki, su amiga de la infancia Sif y los Tres Guerreros: Volstagg, Fandral, y Hogun. Se desata una batalla hasta que Odín interviene para salvar a los asgardianos, destruyendo la frágil tregua entre ambas razas. Por la arrogancia de Thor, Odín lo despoja de su poder divino y lo exilia a la Tierra como un mortal, acompañado por su martillo Mjolnir, ahora protegido por un encantamiento que permite que solo alguien digno pueda empuñarlo.

Thor aterriza en Nuevo México, donde la astrofísica Dra. Jane Foster, su asistente Darcy Lews, y su mentor el Dr. Erik Selvig, lo encuentran. La población local encuentra el Mjolnir, el cual el agente de S.H.I.E.L.D. Phil Coulson pronto requisa antes de adquirir por la fuerza los datos de Jane sobre el agujero de gusano que llevó a Thor a la Tierra. El dios, habiendo descubierto la cercana ubicación de su martillo, busca recuperarlo de la instalación que S.H.I.E.L.D. construyó rápidamente, pero se encuentra incapaz de levantarlo, y lo capturan. Con la ayuda de Selvig, queda liberado y se resigna al exilio en la Tierra mientras desarrolla un romance con Jane.

Loki descubre que en realidad es el hijo de Laufey, que Odín adoptó después del fin de la guerra. El rey, fatigado, cae en el profundo «sueño de Odín» para recuperar su fuerza. Loki se apodera del trono en el lugar de Odín y le ofrece a Laufey la oportunidad de matar al Odín recuperar el Cofre. Sif y los Tres Guerreros, infelices con el régimen de Loki, intentan regresar a Thor del exilio, convenciendo a Heimdall, guardián del Bifröst —el medio de transporte entre mundos— de dejarlos pasar a la Tierra. Al tanto del plan, Loki envía al Destructor, un autómata, para perseguirlos y matar a Thor. Los guerreros encuentran al dios del rayo, pero el Destructor, los ataca y derrota, incitando a Thor a ofrecerse en su lugar. Golpeado por el autómata y casi muerto, su sacrificio lo prueba digno de empuñar Mjolnir. El martillo regresa a él, restaurando sus poderes y permitiéndole derrotar al Destructor. Luego de besar a Jane como despedida y prometer su regreso, Thor y sus compañeros asgardianos se van para confrontar a Loki.