2006年4月、パラマウントがソニーから映画化権を買い取り、マーク・プロトセヴィッチが脚本を書くことになった[18]。同年、映画はマーベル・スタジオが制作すると発表された[19]。2007年8月、マシュー・ヴォーンが本作を監督する契約を交わした[20]。ヴォーンはプロトセヴィッチの初期案に3億ドルの製作費を見込み、1億5000万ドルまで落とすために脚本が書き直された[2]。またヴォーンは2008年後半にクランクインの予定だった[21]。『アイアンマン』の成功後、マーベル・スタジオは『アイアンマン2』でソーを紹介し、2010年6月4日に『マイティ・ソー』を公開予定と発表した[22]。
プリプロダクションロンドンでのプロモーション時のケネス・ブラナー監督（2011年4月）。

2008年5月にヴォーンの契約が切れると、マーベルは再度プロトセヴィッチに脚本を書かせ、新たな監督を探した[23]。2008年9月には、D・J・カルーソがプロジェクトを引き受ける話が出てきた[24]。その後、ケネス・ブラナーへの交渉が行われ[25]、2008年12月に彼の雇用が発表された。ブラナーは2010年1月の撮影開始を希望し[26]、マーベル・スタジオの予定だった2010年7月16日から約1年遅れの2011年6月17日に公開日を遅らせることとなった[27]。その後、2011年7月22日公開予定の同スタジオ製作映画『キャプテン・アメリカ/ザ・ファースト・アベンジャー』から間隔を空けるために公開日は2011年5月20日に変更された[28]。2009年2月、『アイアンマン』でニック・フューリーを演じたサミュエル・L・ジャクソンが、本作を含む9作品に同役で出演する契約を交わした[29]。だがジャクソンは2010年4月のインタビューで、『マイティ・ソー』に出演する予定はないと述べた[30]。2011年2月、『レイト・ナイト・ウィズ・ジミー・ファロン』にて、ジャクソンは『マイティ・ソー』でのシーンを撮影中と明らかにした[31]。

2009年2月、ソー役の俳優を探すオーディションが行われた[32]。25歳前後の俳優を探し、2009年5月にクリス・ヘムズワースと交渉した[33]。後日、マーベルは以前にブラナーと働き、当初主演に考えられていたトム・ヒドルストンをロキ役にキャスティングしたと発表した[34][35]。マーベル・スタジオのケビン・ファイギはヘムズワースとヒドルストンの両者との契約成立を6月に明かした[36]。フィージはまた、映画では現代の地球とアスガルドの両方が舞台だが、ソーの人間体であるドナルド・ブレイク医師の設定は無いと述べた[36]。

ヘムズワースとヒドルストンが決まった後、残りのキャストが埋まり始めた。7月、マーベルはナタリー・ポートマンがジェーン・フォスターを演じると発表した[37]。