Casting W marcu 2011 roku ujawniono, że Rene Russo podpisała kontrakt również na sequel. W czerwcu potwierdzono, że Chris Hemsworth powróci w roli Thora. We wrześniu Tom Hiddleston poinformował, że ponownie zagra Lokiego. W październiku ujawniono, że Natalie Portman powróci jako Jane Foster. W kwietniu 2012 roku ujawniono, że Ray Stevenson ponownie zagra Volstagga, a w maju, że powrócą Anthony Hopkins jako Odyn i Idris Elba jako Heimdall. W tym samym miesiącu Mads Mikkelsen rozpoczął rozmowy ze studiem dotyczące roli antagonisty filmu. W czerwcu potwierdzono, że Stellan Skarsgård po raz kolejny wystąpi w roli Erika Selviga, a Zachary Levi rozpoczął negocjacje dotyczące roli Fandrala. Joshua Dallas, który zagrał tę postać w pierwszym filmie, nie mógł powrócić do tej roli ze względu na zobowiązania na planie serialu Dawno, dawno temu.
W lipcu Mikkelsen poinformował, że nie zagra w filmie ze względu na prace przy serialu Hannibal. W sierpniu do obsady dołączyli: Christopher Eccleston jako Malekith, Adewale Akinnuoye-Agbaje jako Algrim, Kat Dennings jako Darcy Lewis, Jaimie Alexander jako Sif i Tadanobu Asano jako Hogun oraz potwierdzono angaż Leviego.