2010年8月10日、フランシス・マクドーマンドがローラ・リップマンの小説『あの日、少女たちは赤ん坊を殺した』の映画化権を購入したとの報道があった。2012年7月31日、エイミー・バーグが監督に起用されたと報じられた。マクドーマンドの推薦で、ダイアン・レインが本作の主演を務めることになった。9月9日、エリザベス・バンクスの出演が決まったとの報道があった。2013年2月7日、ダコタ・ファニングとダニエル・マクドナルドが本作に出演することになったと報じられた。3月20日、ネイト・パーカーの出演が決まった。2013年3月、本作の主要撮影がニューヨークで始まった。
郡の判事である黒人女性の孫娘が誘拐され、その後殺害されるという事件が発生した。恐ろしいことに、その犯人は11歳の女の子2人（ロニー・フラーとアリス・マニング）であった。アリスは「赤ん坊を殺したのはロニーであって、私ははめられただけです」と主張したが、その主張は退けられることになった。不思議なことに、アリスの母親であるヘレンは娘を必死で庇う素振りを見せることがなかった。それから7年後、18歳になったロニーとアリスは少年院から出所した。ロニーは町のベーグル販売店で働き始めたが、アリスはあてもなく町をぶらぶらしていた。アリスはリアリティ番組に出演してスターダムにのし上がりたいという野心を抱いており、司法制度の被害者としての自分をアピールするためのスピーチを練習していた。ヘレンは小学校の教員をしており、娘との関係はギクシャクしていた。ヘレンはアリスが太っていることや母親である自分と同じ価値観に全く共感していないことを不満に思っていた。2人の出所から2週間後、地元の家具屋でブリタニーという名前の女の子が行方不明になるという事件が発生した。ブリタニーもまた白人と黒人の夫婦の間に生まれた子供であったことから、人々は7年前に発生した誘拐殺人事件を想起した。事件を担当することになった刑事の中には、7年前の事件の捜査に参加したナンシー・ポーター刑事の姿があった。ポーターはあの事件のことが未だに脳裏から離れずにいた。ポーターはロニーとアリスに事情聴取を行ったが、前者は怯えるばかりで会話が成立せず、後者は「7年前と同様、ロニーがやったに違いない」と強く主張してきた。ヘレンにも事情聴取が行われたが、彼女はポーターに対する敵意を剥き出しにした。ポーターの直観通り、7年前の事件と今回の事件の間には密接な関係があった。しかし、そこには彼女が予想していた以上に陰惨な真実が隠されていた。
2008年5月にヴォーンの契約が切れると、マーベルは再度プロトセヴィッチに脚本を書かせ、新たな監督を探した。2008年9月には、D・J・カルーソがプロジェクトを引き受ける話が出てきた。その後、ケネス・ブラナーへの交渉が行われ、2008年12月に彼の雇用が発表された。ブラナーは2010年1月の撮影開始を希望し、マーベル・スタジオの予定だった2010年7月16日から約1年遅れの2011年6月17日に公開日を遅らせることとなった。その後、2011年7月22日公開予定の同スタジオ製作映画『キャプテン・アメリカ/ザ・ファースト・アベンジャー』から間隔を空けるために公開日は2011年5月20日に変更された。2009年2月、『アイアンマン』でニック・フューリーを演じたサミュエル・L・ジャクソンが、本作を含む9作品に同役で出演する契約を交わした。だがジャクソンは2010年4月のインタビューで、『マイティ・ソー』に出演する予定はないと述べた。2011年2月、『レイト・ナイト・ウィズ・ジミー・ファロン』にて、ジャクソンは『マイティ・ソー』でのシーンを撮影中と明らかにした。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。『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。