Chris Hemsworth jako Thor, następca tronu Asgardu, syn Odyna i Friggi. Jego bronią jest młot Mjølner, dzięki któremu może wzywać pioruny oraz nimi władać. Dakota Goyo wcielił się w Thora jako dziecko. Natalie Portman jako Jane Foster, astrofizyk, obiekt uczuć Thora. Tom Hiddleston jako Loki, adoptowany brat Thora. Ted Allpress zagrał Lokiego jako dziecko. Stellan Skarsgård jako Erik Selvig, były profesor astrofizyki, mentor Jane Foster. Colm Feore jako Laufey, władca Lodowych Gigantów i biologiczny ojciec Lokiego. Ray Stevenson jako Volstagg, przyjaciel Thora, jeden z Trzech Wojowników. Idris Elba jako Heimdall, asgardzki wartownik pilnujący mostu Bifröst. Kat Dennings jako Darcy Lewis, asystentka Jane Foster. Rene Russo jako Frigga, królowa Asgardu, żona Odyna, matka Thora i przybrana matka Lokiego. Anthony Hopkins jako Odyn, władca Asgardu, mąż Friggi, ojciec Thora i przybrany ojciec Lokiego.
W filmie wystąpili ponadto: Josh Dallas i Tadanobu Asano jako Fandral i Hogun, należący razem z Volstaggiem do Trzech Wojowników, przyjaciół Thora;