Lou Ferrigno użyczył głosu Hulkowi. Chris Hemsworth jako Thor, następca tronu Asgardu, syn Odyna i Friggi. Jego bronią jest młot Mjolnir, dzięki któremu może wzywać pioruny oraz nimi władać. Scarlett Johansson jako Natasha Romanoff / Czarna Wdowa, jest agentką T.A.R.C.Z.Y. i pracuje jako wysoce wyszkolony szpieg. Jeremy Renner jako Clint Barton / Hawkeye, agent T.A.R.C.Z.Y., który biegle posługuje się łukiem. Tom Hiddleston jako Loki, adoptowany brat Thora, który ma obsesję na punkcie władzy. Clark Gregg jako Phil Coulson, agent T.A.R.C.Z.Y. Cobie Smulders jako Maria Hill, agentka T.A.R.C.Z.Y. Stellan Skarsgård jako Erik Selvig, profesor astrofizyki współpracujący z T.A.R.C.Z.Ą. Samuel L. Jackson jako Nick Fury, dyrektor T.A.R.C.Z.Y.
Swoje role z poprzednich filmów franczyzy powtórzyli: Gwyneth Paltrow jako Virginia „Pepper” Potts, prezes Stark Industries i partnerka Starka; Maximiliano Hernández jako Jasper Sitwell, agent T.A.R.C.Z.Y.