Casting W październiku 2008 roku poinformowano, że Robert Downey Jr. podpisał kontrakt na udział w kilku produkcjach studia jako Tony Stark / Iron Man. Wyjawiono również, że w filmie pojawi się Don Cheadle jako James Rhodes / War Machine. W lutym 2009 roku Samuel L. Jackson zawarł umowę ze studiem na dziewięć filmów, w których miałby pojawić się w roli Nicka Fury’ego. W marcu ujawniono, że Scarlett Johansson zagra Natashę Romanoff / Czarną Wdowę. W czerwcu poinformowano, że w filmie wystąpią Chris Hemsworth jako Thor i Tom Hiddleston jako Loki. We wrześniu Edward Norton wyjawił, że chciałby powrócić w roli Bruce’a Bannera / Hulka.
W marcu 2010 roku Chris Evans podpisał kontrakt na udział w kilku filmach jako Steve Rogers / Kapitan Ameryka, a w czerwcu do obsady dołączył Jeremy Renner jako Hawkeye. W lipcu Norton poinformował, że nie powróci do roli Hulka, a kilka dni później ujawniono, że zastąpi go Mark Ruffalo. W tym samym miesiącu poinformowano, że Clark Gregg zagra ponownie agenta Phila Coulsona. W styczniu 2011 roku Cheadle i Gwyneth Paltrow poinformowali, że nie pojawią się w filmie jako kolejno Rhodes i „Pepper” Potts, jednak Paltrow ostatecznie zagrała w filmie.