在很久很久以前，宇宙处于一片黑暗的混沌，也就诞生出一群黑暗精灵，但他们是代表邪恶一面的黑暗魔兵。不过后来有一天，宇宙也迎来了黎明，但黑暗魔兵的头目很讨厌一切有光的地方，试图让宇宙陷入一成不变的黑暗中。而且他身上有一个致命的武器，是个叫做以太的流动粒子，力量十分强大，是一种纯粹的黑暗，可以一瞬间摧毁整个宇宙。
黑暗战争爆发了，雷神托尔的曾祖父及时出现并与黑暗魔族斗争起来。就在大魔王准备释放以太粒子的时候，曾祖父不顾一切终于从他的手中抢了过去，才没有让宇宙被毁灭。不过他们没能抓住大魔王，反而让他逃之夭夭，发现以太粒子只能藏起来不能消灭，也从而埋下了一颗不定时炸弹。
时间回溯到现在，从上一部的纽约事件后，身为纽约之战主要战犯的火神洛基被复仇者联盟抓住并送回了神界，老国王奥丁对这个顽固不化的儿子很是失望，直接把他关到监狱中。与洛基形成鲜明对比的是，雷神托尔则在九大国界中四处奔走，建功立业，树立威信，并且也一直在维护着宇宙的和平。
凯旋回到阿斯嘉德后，他父亲有意撮合他与女神席芙，但他心里始终忘不了女朋友简，奥丁告诉他普通人类的生命只有区区几十年，然而作为天神族的他们却能活到5000年，所以托尔和简根本无法在一起。
在地球上的简，从上一次和托尔分别后，已经有两年没有见到托尔，于是四处研究神秘物理学，寻找托尔的下落。终于，简等一行人根据仪器的指示来到一处废弃的工厂，在几个小孩的带领下，他们来到了一处重心场失常的地方。硕大的卡车居然被小孩轻易举起，而且从高空抛下的物体在落地前会消失，随后会从天花板上重新掉下来。于是简根据仪器指示找到一个神秘的黑洞空间，正一头雾水的简被一坨奇怪的粒子袭击，还钻进自己的体内，随后她就晕了过去。
托尔与守门人海姆达尔一同观测中庭的景象，想要看看女朋友简近况如何，海姆达尔发现感觉不到她的存在。心急如焚的他打开彩虹桥把自己传送到了地球上。这时候的简苏醒过来，发现自己在刚才的废弃工厂，由于简消失了数个小时，简的好友Max只好报了警。随后她看见了托尔出现在眼前，激动不已。
然而已经被以太附身的简不小心误伤到警察，引发了混乱。托尔发现简身上有股从所未见的神秘力量，决定将她带回仙宫接受治疗，奥丁一眼就看出了简体内蕴藏的正是以太，立刻命令保护简的性命，因为以太在哪里，那些黑暗魔兵就会跟到哪里。
果然不出奥丁所料，大魔王很快开着飞船冲进仙宫要找简，试图把以太吸收。阿斯嘉德的士兵们还没来及启动防御模式，被打败得一塌糊涂，奥丁的夫人芙蕾为了掩护简，被大魔王一剑刺死。这时才赶来的托尔目睹了母亲的惨死，一锤子打飞了大魔王，却还是被大魔王侥幸逃脱。
痛失爱妻的奥丁这时候已经完全失去理智，发誓要为妻子报仇，哪怕拼尽一兵一卒也决不投降。而托尔比较理智，认为只有带简离开这里，向大魔王主动出击，而且不会让阿斯嘉德受到黑暗魔兵的再次进攻，而一心只想报仇的奥丁否定了儿子的计划。从彩虹桥走出去一定会被奥丁拦住，唯一知晓秘密通路的只有被关起来的洛基。无奈之下托尔只好找洛基求助，刚得知母亲芙蕾死讯的洛基决定帮这个忙，带他和简找到神秘通路逃离了出来。
他们三人来到了黑暗星球，大魔王感知到以太离自己的距离很近，随即迎上去。这时候的洛基忽然背叛托尔，砍下了他的右手就不能使用神锤，并交出简以示投诚。大魔王放下来戒备从简体内吸出以太，就在把简体内的以太全部吸出的一瞬间，洛基与托尔联手对付魔兵。原来刚才的一切都是兄弟俩合演的一出戏，就是为了借大魔王的手来救出简
忙着毁灭地球的大魔王不屑和这两人打架，就留下献祭者以及一些魔兵来对付他们。洛基一出手就毫不留情的杀死了众多魔兵，而另一边的托尔始终被力气大的魔王手下献祭者全程压制，于是洛基从背后偷袭，终于消灭献祭者，自己却也受到致命一击，在哥哥托尔的怀里仿佛完成使命闭上了眼睛。
托尔忍着失去兄弟的悲痛，带已经恢复正常的简返回到地球上，令人没想到的是，大魔王的军队也随即出现在地球上，打算释放以太好摧毁掉整个地球。托尔哪里能让大魔王的奸计得逞，面对敌方的以太攻击并没有被击退，反而扔出锤子击倒了他。另一边的简拿着博士发明的仪器，通过摄取以太的力量营造出随意穿越不同星球的能量场，帮助托尔把敌军从地球上转移出去。托尔和大魔王一战打得昏天暗地，从地球打到外星，从天上翻滚到地下，完全分不出胜负。
整个城市也陷入了混乱，居然凭空冒出怪兽大闹起来。大魔王也趁机找出了释放以太的绝佳机会，眼看着九大国度即将沦陷，托尔冒着危险冲进去，利用简的仪器折断大魔王的手臂，紧接着他一跃而起召唤出雷神之锤，一锤打败了大魔王。
最终九大国度也恢复了和平，不久之后托尔回到阿斯嘉德，告诉奥丁自己不会继承王位，他明白王位会带来残忍和牺牲，而现在只想和简过平凡人的生活。奥丁感叹说道，一个儿子渴望王位，一个儿子不要王位。接着托尔离开了，王座上的奥丁却变回了洛基，喃喃说道，真的谢谢你了，托尔。
《雷神2：黑暗世界》是漫威电影宇宙主题的第八部影片，剧情上的一些细节以及彩蛋主要是接续漫威电影的第六部电影《复仇者联盟》，相比起观众所熟悉的超人或者蜘蛛侠，漫威的许多角色还是比较眼生的，但还是能给观众留下深刻的记忆。影片从洛基被逮捕回到阿斯嘉德开始，到兄弟二人合力为母亲报仇并救出女主简，直到后来终于消灭掉反派，宇宙毁灭的危机已被解除，然而死了又复活后的洛基疑似篡夺王位而作为影片的结尾。
从剧情的严谨到人物刻画以及视觉画面，整体节奏比起《雷神1》要进步很多，虽然整体色调偏向压抑，却点缀了大量的笑点，在观众刚觉得有些压抑时，又恰到好处抖出笑点来缓解悲伤情绪。作为一部爆米花电影，它至少做到了让观众轻松的同时又能燃起来。
