2011年9月、トム・ヒドルストンは再出演を認め、『Thor 2』では「（ロキが）自分がやってたことに責任を取らなければならないだろう」と推測した[7]。カークとの交渉の際に契約の問題が発生したあと、マーベルとディズニーは『モンスター』や『THE KILLING ?闇に眠る美少女（英語版）』のパイロット版の監督で知られるパティ・ジェンキンスとの交渉に入った[34]。同月、フェイグは続編がソーとジェーン・フォスターが別の世界を旅する物語だと説明した[35]。

2011年10月、ファンドラル役のジョシュア・ダラスは『Thor 2』に続投予定であると述べた[36]。10月13日、ディズニーは『Thor 2』の公開日を2013年11月15日に変更した[37]。同日、マーベルはジェンキンスが続編を監督し、ナタリー・ポートマンが続投することを認めた[6]。
プリプロダクションサリーのボーンウッド（英語版）に建てられた映画のセット。

2011年12月、ジェンキンスは「創造性の違い」を理由にプロジェクトを降板した[38]。彼女は、「我々は非常に良い条件で別れた。私はマーベルで働いて素晴らしい時間を過ごし、再び彼らと働くことを楽しみにしている」と述べた[39]。3日後、『ハリウッド・リポーター』誌は、マーベルはジェンキンスの代わりにアラン・テイラーとダニエル・ミナハン（英語版）を監督候補にしていると報じた。同誌はまた、マーベルはドン・ペインの脚本の書き直しのために脚本家を雇い、それはジョン・コリー（英語版）、ロバート・ロダット、ロジャー・エイヴァリーが候補だと報じた[40]。同月末、HBOのファンタジーシリーズ『ゲーム・オブ・スローンズ』のエピソードを監督したことで知られるアラン・テイラーが監督に決定した[41]。

2012年1月、トム・ヒドルストンは2012年の夏にロンドンで撮影開始予定であると述べた[42]。同月、マーベル・スタジオズが『プライベート・ライアン』の脚本家のロバート・ロダットをリライトのために雇ったことが報じられた[43]。後日、シフを演じたジェイミー・アレクサンダーは、「私は『Thor 2』についてのいくつかの議論をした。それが楽しくなるように、私は明確にその一部になるつもりだ。そして『ゲーム・オブ・スローンズ』のアラン・テイラーを監督に迎えて、私たちは興奮している。私は彼が何をもたらすかを見て興奮している」と述べた[15]。

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]。