雷神被囚禁在宇宙的另一边，少了强大的雷神之槌，而且必须在最快的时间之内回到阿斯嘉，阻止诸神黄昏降临，以免他的世界毁灭，阿斯嘉文明沉沦。
因此，他必须铲除新的威胁：狂放不羁的海拉。不过，首先他必须打赢一场宛如古罗马竞技的致命搏斗比赛，而对手竟是他过去的伙伴、复仇者联盟的成员，绿巨人浩克！
系列原班人马再合体
克里斯·海姆斯沃斯再度回归，饰演雷神，加入他阵容的原班人马还有饰演洛基的汤姆·希德勒斯顿、饰演海姆达尔的伊卓瑞斯艾巴，以及饰演奥丁的安东尼霍普金斯。克里斯·海姆斯沃斯说明他在这趟新的大银幕冒险中要带雷神往哪里去：我们拍了一部相当独特的电影，它有属于自己的故事。一开始，雷神踏上一趟自我发现之旅。此时他拒绝登上王位，住在地球上。可是他并非地球人，所以不太适应。于是他出发寻找答案。在途中，他发现了横跨各领域的各种灾难。
谈到雷神与汤姆·希德勒斯顿饰演的洛基之间的关系，凯文费吉觉得：他们之间的互动，真的与漫威电影宇宙中其他角色的关系截然不同。他补充说：在我们的电影宇宙中，在各系列与不同电影中相互连结的剧情和互有关联的角色里，雷神托尔与洛基之间的关系可以说是最有趣的。在【雷神3：诸神黄昏】中，两人之间同样出现了许多纠葛。
谈到再次饰演备受粉丝喜爱的反派人物是什么感觉，汤姆·希德勒斯顿说：洛基这个角色至今我扮演了七年。我在2009年到漫威试镜，2010年拍摄第一集，现在已经到了2017年。洛基有趣的地方在于，他是我第一次觉得不必再特别去诠释的角色。不过，我要强调一点，我觉得每次饰演他，我都必须演得更好。我必须承担我对这个角色的责任，不负观众对他的感情。我想尽量演得无法捉摸、复杂、迷人、精明而调皮、傲慢、心灵有阴影，表现洛基所有的特质，并设法将表演提升到另一个层次。
海姆达尔上次出现在漫威电影宇宙的大银幕上时，编剧克雷格凯尔将他界定为枪手，不过执行制片温德鲍姆表示，这个角色在【雷神3：诸神黄昏】中又经历了一次重大的转变。在前两集的剧情中，他对我们的英雄来说算是政坛元老。在这一集，我们则发现他自我放逐，是一个来自阿斯嘉荒野的战士。而安东尼霍普金斯也在【雷神3：诸神黄昏】中回归大银幕，饰演奥丁。奥丁长久以来都是阿斯嘉国王，但在本片中，他必须面对一个非常不同的现实。
