2014年11月、アンソニー・マッキーとフランク・グリロが前作に引き続き、それぞれサム・ウィルソン、ブラック・ラムロウとして出演することとなり、ダニエル・ブリュールが新たにキャストとして加えられた[34][35]。加えて、同月24日に発生したソニー・ピクチャーズ・エンタテインメントへのハッキング事件により流出したメールの中に、マーベルが本作品にスパイダーマン（ソニー・ピクチャーズが映画化権を保有している）を登場させる要望が記されたメールがあったことが明らかとなった[36]。この交渉は当初決裂したものと思われていたが、2015年2月に両社がMCUの映画においてスパイダーマンのキャラクターを使用するライセンス契約を結んだことにより、スパイダーマンが本作品に登場することが決定された[37][38][39]。ルッソ兄弟はこれに関し、本作品にスパイダーマンを登場させるために数か月間ロビー活動をしていたことを明かした[40]。

2015年1月にはスカーレット・ヨハンソンが前作に引き続きナターシャ・ロマノフ役を演じることが明かされ[41]、『ウィンター・ソルジャー』で編集を務めたジェフリー・フォードも本作に携わる契約に署名した[42]。2015年3月、ジェレミー・レナーが再びクリント・バートン役で出演することが決まった[43]。4月には本作が3D変換で製作されること[44]、そしてブリュールがヘルムート・ジモ役を演じることが明らかとなった[45][46]。さらに、『アベンジャーズ/エイジ・オブ・ウルトロン』に出演していたエリザベス・オルセンもワンダ・マキシモフ役で本作に出演することが決定された[47]。アトランタ・ダウンタウン地区に組まれた『シビル・ウォー/キャプテン・アメリカ』の舞台セット
撮影

本作の撮影は2015年4月27日[48][49]、ジョージア州ファイエットにあるパインウッド・アトランタ・スタジオ[50]にて開始された（撮影時の題名は「スプートニク」[51]）。加えて、アトランタ都市圏のバックヘッド[52]、ミッドタウン[53]、ダウンタウン[54]の3地区とノークロス市（グイネット郡）[52]、およびポルシェの北米本社（劇中ではアベンジャーズの本部ビルとして使用されている）[55]にてロケーション撮影が行われた他、ドイツ・プエルトリコ・アイスランドにて追加のロケーション撮影が行われた[56][57]。また、本作ではIMAXとARRIの提携によるデジタル2Dカメラが、ドイツのライプツィヒ・ハレ空港での約15分にも及ぶ戦闘シーンの撮影で使用されている[48][58]。

5月上旬、マーベルはマーティン・フリーマンが詳細不明の役で出演することを発表した[59]。この間、『アベンジャーズ/エイジ・オブ・ウルトロン』に出演したヴィジョン役のポール・ベタニーおよびローディー役のドン・チードル、『ウィンター・ソルジャー』に出演したシャロン・カーター役のエミリー・ヴァンキャンプ、『アントマン』に出演したスコット・ラング役のポール・ラッド、『インクレディブル・ハルク』に出演したロス将軍役のウィリアム・ハートが、それぞれ同一の役で本作品に続投させることが決定されていた[56][60]。余談として、『キャプテン・アメリカ』映画シリーズ前2作や『アベンジャーズ』前2作に出演していたニック・フューリー役のサミュエル・L・ジャクソンはIGNのインタビューで、本作での彼の出番がないことをルッソ兄弟から知らされ「驚いた」と語っている[61]。製作総指揮のネイト・ムーアはフューリーの不在について、「彼（フューリー）は『シビル・ウォー』のストーリーには一切関与していない」からだと述べた[27]。

2015年5月30日、ルッソ兄弟はファイギともう一人のプロデューサーであるエイミー・パスカルと共に、スパイダーマンに扮するピーター・パーカーの役を演じる俳優を決めるスクリーンテストをアトランタで行った。ルッソ兄弟らは1500人の中からオーディションで選ばれた最終候補者の6人にロバート・ダウニー・Jrを相手役とした演技テストを行い、最終オーディションではクリス・エヴァンスを相手役とした演技テストを行った。その結果、19歳の新人であるイギリスの俳優トム・ホランドがピーター・パーカー役に選ばれた[62][63]。ジョー・ルッソは「僕らは配役に関してかなり主張した」と述べており、ダンスと新体操で培われたホランドの身体性を高く評価していた。