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]。9月、ジェイミー・アレクサンダーとコルム・フィオールがキャストに加わり、アレクサンダーがシフ、フィオールが役名不明の悪役を演じるだろうと報じられた[38]。スウェーデンのニュースサイト『Ystads Allehanda』のインタビューで、ステラン・スカルスガルドのキャスト参加を述べた[39]。10月下旬までに、アンソニー・ホプキンスがオーディンに配役された[40]。さらに数週間後、マーベルはウォリアーズ・スリーをキャスティングし、ファンドラルをスチュアート・タウンゼント、ホーガンを浅野忠信、ヴォルスタッグをレイ・スティーヴンソンが演じると発表した[41]。数日後、イドリス・エルバのヘイムダール役でのキャスト参加が発表された[42]。

ナタリー・ポートマンはインタビューにて、女優のカット・デニングスがプロジェクトにかかわるのを明らかにした[43]。デニングスは、ポートマン演じるジェーン・フォスターの同僚のダーシー役となった[44]。12月、レネ・ルッソがソーの養母でオーディンの妻のフリッガ役に振り当てられた[45]。その後、ジョゼフ・ガット、トロイ・ブレンナ、ジョシュア・コックスが役名不明でキャスティングされたことが明らかになった[46]。また2010年1月、アドリアナ・バラッザが脇役でキャストに参加[47]。撮影開始の数日前、「創造性の違い」からスチュアート・タウンゼントが降板し、ファンドラル役はジョシュア・ダラスに変わった[48]。『スパイダーマン4』の製作遅延に伴い、パラマウントとマーベル・エンタテインメントは、公開日を2週間繰り上げて2011年5月6日に変更した[49]。
撮影

2008年10月、マーベル・スタジオは『アイアンマン2』、『マイティ・ソー』、『キャプテン・アメリカ: ザ・ファースト・アベンジャー』、『アベンジャーズ』の計4作の撮影の為にカリフォルニア州マンハッタンビーチのラリースタジオと長期契約した[50]。