2009年2月、サミュエル・L・ジャクソンが『アベンジャーズ』を含む複数の映画にニック・フューリー役で出演する契約をマーベルと交わしたことが報じられた[32]。3月、エミリー・ブラントに代わってスカーレット・ヨハンソンが『アイアンマン2』に出演し、『アベンジャーズ』の契約も交わしたことが報じられた[47]。また後日、マーベルは『アベンジャーズ』の公開日を予定していた2011年7月から1年後の2012年5月4日に確定したと発表した[48]。6月、マーベルの社長のケヴィン・ファイギはソー役のクリス・ヘムズワースとロキ役のトム・ヒドルストンの『アベンジャーズ』出演を認めた[16]。

2010年8月、ケヴィン・ファイギは、より多くのキャラクターが『アベンジャーズ』に登場し、ハルクが重要となると述べた[49]。9月、エドワード・ノートンはハルク役で『アベンジャーズ』に出演する意思があると述べた[50]。翌月、製作総指揮のジョン・ファヴローが「最新のハイテクを駆使したヒーローであるアイアンマンに深くかかわり過ぎてしまい、魔法や神話など超自然的な側面を持つマイティ・ソーが登場する『アベンジャーズ』にかかわることは困難」と話し、監督を兼任しないことが明らかとなった[51][52]。

2010年1月、ケヴィン・ファイギはハイテク・サイエンス・フィクションである『アイアンマン』と『アベンジャーズ』にファンタジーの『マイティ・ソー』を融合させるのは難しいのではないかと尋ねられ、「ノー」と応えている[53]。3月、ザック・ペンがスクリプトの第一草稿を終え、マーベルの編集長のジョー・ケサダとコミックの『アベンジャーズ』のライターであるブライアン・マイケル・ベンディスがコピーを得たと報じられた[54]。また同月、クリス・エヴァンスがキャプテン・アメリカ役で『アベンジャーズ』にも出演することが決まった[10]。2010年4月1日、エイプリル・フールではあるが、ジョス・ウェドンが『アベンジャーズ』の監督の有力候補となっていると報じられた[55]。その後日、『バラエティ』誌は、ウェドンが監督し、ペンの脚本の手直しするための交渉が完了間近であると報じた[56]。

ウェドンは本作のストーリーを考える際、登場人物のエモーショナルな側面にスポットを当てることでその世界観がわからずとも楽しめる作品を目指した。この点については1987年の映画『ウォール街』を参考にしており、ウェドンは「『ウォール街』は金融の専門用語が飛び交う内容だが、私はこの作品を楽しむことが出来た」と語っている[57]。
プリプロダクション2010年のコミコン・インターナショナルでのジョス・ウェドン監督。