Casting W sierpniu 2021 roku poinformowano, że Anthony Mackie zakończył negocjacje dotyczące udziału w filmie i zagra tytułową rolę. We wrześniu poinformowano, że Tim Blake Nelson jako Samuel Sterns / Leader powtórzy swoją rolę z filmu Incredible Hulk i będzie on grał głównego antagonistę. Ponadto ujawniono, że w rolach z serialu Falcon i Zimowy Żołnierz powrócą jako Isaiah Bradley i jako Joaquin Torres oraz że do obsady dołączyła Szira Has jako Sabra. W październiku poinformowano, że Harrison Ford został obsadzony jako Thaddeus Ross. Ford zastąpi w tej roli zmarłego w 2022 roku Williama Hurta. W styczniu 2023 roku do obsady dołączyła Xosha Roquemore. W marcu ujawniono, że Liv Tyler jako Betty Ross powtórzy swoją rolę z filmu Incredible Hulk oraz że Julia Louis-Dreyfus powróci jako Valentina Allegra de Fontaine z wcześniejszych produkcji franczyzy. W maju wyjawiono, że do obsady dołączyli Seth Rollins, Rosa Salazar.
W lutym 2024 roku Mark Ruffalo wyjawił, że powróci jako Bruce Banner / Hulk, jednak „Variety” poinformowało, że aktor źle się wyraził podczas wywiadu i nie pojawi się w filmie.