Irritato dal comportamento immaturo e irresponsabile del figlio, Odino decide di punire Thor, e di bandirlo dal pianeta di Asgard, abbandonadolo su Midgard senza i dispositivi che gli conferiscono la potenza per cui è noto; Thor si ritrova in Nuovo Messico dove viene soccorso dagli astrofisici Jane Foster , Eric Selvig e dalla stagista Darcy Lewis, che stavano studiando strani fenomeni nel deserto.
Nel frattempo il martello di Thor, forgiato con un elemento sconosciuto sulla terra, viene rinvenuto in Nuovo Messico, ma in quanto programmato da Odino unicamente per Thor, non è sollevabile da alcuno; lo S.H.I.E.L.D. fa quindi costruire un centro di ricerca tutto attorno ad esso. Venuto a sapere della presenza del martello, Thor s'introduce nella base mobile, dove ingaggia una lotta con gli agenti dello S.H.I.E.L.D. mentre l'agente Occhio di Falco lo tiene sotto tiro e prova ad estrarre il martello dal cratere dove è conficcato, ma senza successo, poiché non ritenuto ancora degno da suo padre; viene così preso e bloccato. Intanto ad Asgard, Odino sorprende Loki con lo Scrigno di Laufey. Loki gli chiede il perché possa toccarlo senza danno e Odino gli rivela la sua vera origine e il fatto che l'abbia adottato per stabilire una tregua con i Giganti.
I due hanno quindi una discussione, nella quale Loki gli rinfaccia di non essere mai stato amato quanto Thor e di essere sempre stato trattato diversamente. Odino, addolorato per tutto ciò che è successo con i suoi figli ed esausto per i lunghi secoli di regno, cade nel "Sonno di Odino" (una sorta di letargo rigenerante, in cui riesce a vedere tutto ciò che accade intorno a lui ma non gli è possibile intervenire. Inoltre, essendo stato rimandato per troppo tempo, tale letargo è ora così profondo che il sovrano rischia di non risvegliarsi più).
Loki, astuto maestro dell'inganno, ormai conscio di essere figlio di Laufey, e quindi di essere stato poi adottato, ne approfitta per assumere il potere di reggente di Asgard; subito dopo si giustifica ai sostenitori di Thor di non poter sollevare il fratello dall'esilio, impostogli da loro padre per rispetto alla sua saggezza.
Quindi, sceso sulla Terra, Loki mente a Thor, spiegando che Odino è morto, che lui è il nuovo re di Asgard e che loro madre Frigga non vuole che lui torni ad Asgard; caduto nella disperazione, Thor viene sottratto dall'interrogatorio dell'agente Phil Coulson dello S.H.I.E.L.D. da Eric Selvig, che lo fa credere essere il dottor Donald Blake (il defunto ex compagno di Jane Foster).

Nel frattempo Sif e i tre guerrieri decidono di recarsi a Midgard per recuperare Thor e riportarlo ad Asgard, trasgredendo agli ordini di Loki; venuto a conoscenza del loro tradimento e di quello di Heimdall, Loki prima congela quest'ultimo con l'energia dello Scrigno, poi manda il robot Distruttore sulla Terra, riprogrammato per uccidere Thor, che nel frattempo grazie alle vicende vissute sulla Terra sembra diventato più maturo e gentile.
Dopo che il Distruttore ha sconfitto i tre guerrieri e Sif, causando caos, morte e distruzione, Thor decide di sacrificarsi per evitare di coinvolgere altri innocenti; ma ciò è esattamente quello che Odino, con la sua preveggenza, si era aspettato: un atto di estremo altruismo da parte di Thor, al posto della sua solita arroganza ed irruenza; per questo motivo il martello Mjöllnir può finalmente tornare, in volo, da Thor, donandogli nuova forza e linfa vitale; questo lo rende inoltre in grado di abbattere finalmente il Distruttore. Thor quindi ottiene da Heimdall, che nel frattempo è riuscito a liberarsi dalla morsa congelante, di ritornare ad Asgard. Prima di partire però promette a Jane che un giorno tornerà da lei e che la ama, e assicura Coulson che lui ci sarà sempre per portare aiuto a Midgard. Loki intanto ha stretto un patto con Laufey, il re dei giganti di ghiaccio: può avere il permesso di recarsi ad Asgard e quindi di uccidere Odino durante il suo sonno magico; in realtà anche questa è una trappola ordita proprio da Loki, perché egli, sentendosi ancora una volta inadeguato e non accettato, salva il padre uccidendo Laufey davanti a Frigga, facendosi così passare per un eroe agli occhi della madre. Fatto ritorno ad Asgard, e conscio del piano del fratellastro, Thor ingaggia una lotta con Loki, il quale minaccia Jane Foster e poi inizia a distruggere l'intero Jotunheim, utilizzando il potere di Bifrost.
Pur d'impedire la distruzione del mondo dei Giganti di Ghiaccio e quindi la loro completa estinzione, Thor col martello Mjolnir decide di distruggere l'accesso al teletrasporto, detto l'arcobaleno del Bifrost, pur sapendo che così non potrà più fare ritorno da Jane, su Midgard, la Terra; durante la distruzione del ponte, i due fratelli lottano di nuovo, finché cadono nel vuoto, ma vengono salvati da Odino. Loki tenta di nuovo di spiegare le sue ragioni al padre, il quale, però, non giustifica il piano del figliastro; sentendosi tradito e di nuovo incompreso, Loki si lascia perciò cadere nel vuoto cosmico, apparentemente suicidandosi . Ad Asgard torna la pace, ma Thor pensa con tristezza a Jane ed a suo fratello Loki, ormai scomparso; Jane tuttavia, sta ricominciando a fare delle ricerche per trovare un modo per incontrarsi di nuovo con il suo amato Thor. E Heimdall afferma che non necessariamente la Terra è diventata per sempre inaccessibile agli asgardiani, la possibilità di nuovi contatti ci sarà sempre.

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