We wrześniu do obsady dołączyli Jaimie Alexander jako Sif i Colm Feore. W październiku poinformowano, że w filmie wystąpią Anthony Hopkins jako Odyn i Stellan Skarsgård. W listopadzie do obsady dołączyli Stuart Townsend jako Fandral, Tadanobu Asano jako Hogun, Ray Stevenson jako Volstagg, Idris Elba jako Heimdall i Kat Dennings jako Darcy. W grudniu poinformowano, że Rene Russo zagra Friggę oraz że w filmie zagrają także Joseph Gatt, Troy Brenna i Josh Coxx.
W styczniu 2010 roku, kilka dni przed rozpoczęciem zdjęć, poinformowano, że Townsenda zastąpi Joshua Dallas. W tym samym miesiącu ujawniono, że Clark Gregg powróci jako Phil Coulson, a do obsady dołączyła Adriana Barraza. Ostatecznie sceny z jej udziałem zostały wycięte. W kwietniu Jackson poinformował, że jednak nie pojawi się w filmie, a w lutym 2011 roku ujawnił, że nagrał jedynie występ cameo.
Zdjęcia i postprodukcja Zdjęcia do filmu rozpoczęły się w 11 stycznia 2010 roku w Los Angeles. 15 marca produkcja przeniosła się do Galisteo w Nowym Meksyku. Prace na planie zakończyły się 6 maja. Za zdjęcia odpowiadał Haris Zambarloukos, scenografią zajął się Bo Welch, a kostiumy zaprojektowała Alexandra Byrne.