主要撮影は2012年8月にイングランドのサリーのボーンウッド
（英語版）で開始された[55]。コミカゼ・エキスポ（英語版）で原作者のひとりであるスタン・リーがカメオ出演することが明かされた[20]。数週後クライヴ・ラッセルがティーウ（英語版）、リチャード・ブレイクはエインヘリャルの戦士を演じることが明らかとなった[17]。月末、ジェイミー・アレクサンダーがロンドンでのセットで雨天時に歩いた際に滑って負傷した[56]。2012年10月、製作はアイスランドに移り、スケイザルアゥ、スコゥガフォスなどで撮影が行われた。『Iceland Review』ではこれまでのアイスランドで行われた中では最大規模の映画撮影と説明された[57]。10月末、ロンドンのグリニッジの旧王立海軍大学（英語版）での撮影が開始された[58]。同月、ディズニーは3Dでの公開を発表した[59]。2012年12月14日、アレクサンダーは撮影の完了をツイートした[60]。2013年7月、カット・デニングスは記者団に対し、映画は再撮影に向かっていることを明かした[61]。8月、再撮影の内容についてテイラーはトム・ヒドルストンとアンソニー・ホプキンスの場面であると語った[62]。同月、IMAXコーポレーションとマーベル・エンターテインメントは、映画がIMAX 3D形式にデジタルリマスタリングされ、2013年10月30日よりIMAX 3D劇場で封切られることを発表した[63]。
視覚効果はダブル・ネガティブ、ルーマ・ピクチャーズ
（英語版）など7つの視覚効果スタジオが作成した[64]。映画のクレジット中の場面は、『ガーディアンズ・オブ・ギャラクシー』のジェームズ・ガンが監督した[65]。
音楽詳細は「en:Thor: The Dark World (soundtrack)」を参照
2012年8月、パトリック・ドイルは今回も作曲家として続投するために監督と話し合っていることを明かした[66]。