2012年4月、ヘムズワースは2012年8月よりロンドンで撮影を開始することを明かした[44][45]。同月末、レイ・スティーヴンソンの続投が報じられた[46]。

2012年5月、マッツ・ミケルセンが悪役の1人を演じるために協議に入った[47]。『Deadline Hollywood』は、1作目でオーディンを演じたアンソニー・ホプキンスが再演することを報じた[23]。同月末、ディズニーは公開日を2013年11月8日に前倒しした[48]。

2012年6月、ジョシュア・ダラスはテレビシリーズ『ワンス・アポン・ア・タイム』のためにファンドラル役を降りることが発表された[49]。『ハリウッド・リポーター』は、マーベルがダラスの代役としてザッカリー・リーヴァイに注目していると報じた。リーヴァイはもともと1作目でも演じるはずであったが、『CHUCK/チャック』があったために辞退した[13]。リーヴァイは後に『The Tonight Show with Jay Leno』で関与を認めた[50]。ステラン・スカルスガルドの続投が報じられた[8]。

2012年7月、マッツ・ミケルセンはインタビューで「（映画製作者たちとの）話し合いはしたが、『ハンニバル』の予定があり、もう遅すぎた」と、降板を明かした[51]。同月、2012年のコミコン・インターナショナルにてタイトルが『Thor: The Dark World』と発表された[52]。同年8月、クリストファー・エクルストンがマレキス役として最終交渉に入った[10]。アラン・テイラーが『ゲーム・オブ・スローンズ』のときに撮影したアイスランドで本作の撮影を行うことが報じられた[53]。カット・デニングスがダーシー・ルイスを再演することが報じられた[12]。さらにアドウェール・アキノエ＝アグバエがコース役でキャストに加わった[11]。月末、スタッフはイングランドのエイムスバレー付近のストーンヘンジにセットの建設を始めた[54]。