工作室宣布，他们已经选出的演员：雷·史蒂文森（饰演）、浅野忠信（饰演）与史都华·唐森（饰演）。同月，伊卓瑞斯·艾巴与凯特·丹宁丝加入剧组，所饰角色分别为海姆达尔和珍的同事黛丝·露伊丝。12月，蕾妮·罗素签约饰演索尔的母亲兼奥丁的妻子。该月晚些，、与约书亚·考克斯加入剧组，饰演角色未公开。2010年1月，据报导，将在片中饰演配角。开拍前几天，饰演范达尔的唐森被约书亚·达拉斯取代。2010年1月，因《蜘蛛人4》的制片作业停滞不前，派拉蒙影业和漫威工作室将《雷神索尔》的上映日期改至2011年5月6日，提前了两週。