Sean Gunn zagrał postać na planie za pomocą techniki motion-capture. Gwyneth Paltrow jako Virginia „Pepper” Potts, narzeczona Starka i prezes Stark Industries. Josh Brolin jako Thanos, potężna istota, której celem jest zdobycie wszystkich Kamieni Nieskończoności.
Swoje role ponadto powtórzyli:
Powróciły również postacie zagrane przez innych aktorów: zagrała nastoletnią Cassie Lang; Ava Russo i Cade Woodward pojawili się jako starsze wersje Lily i Nathaniela Bartonów. Pojawiają się ponownie również postacie Mieka i Kaczora Howarda, które zostały wygenerowane komputerowo. Swoją rolę Edwina Jarvisa z serialu Agentka Carter powtarza James D’Arcy. Jest to pierwsza sytuacja, kiedy postać przedstawiona w serialach powiązanych z Filmowym Uniwersum Marvela pojawiła się w filmie franczyzy.
W filmie wystąpili również Hiroyuki Sanada jako Akihiko, przywódca japońskiej Yakuzy oraz Alexandra Rabe jako Morgan Stark, córka Tony’ego Starka i Pepper Potts. W roli cameo pojawił się twórca komiksów Marvela, Stan Lee jako cyfrowo odmłodzony kierowca samochodu w 1970 roku. Był to ostatni występ Lee, który zdążył nagrać tę scenę przed swoją śmiercią w 2018 roku.