2006年4月、マーベルは『キャプテン・アメリカ/ザ・ファースト・アベンジャー』の脚本執筆のためにデヴィッド・セルフを雇った。2008年11月にジョー・ジョンストンが監督契約を交わし、脚本書き直しのためにクリストファー・マルクスとスティーヴン・マクフィーリーが雇われた。2010年3月、クリス・エヴァンスがキャプテン・アメリカ役、ヒューゴ・ウィーヴィングがレッドスカル役にキャスティングされた。撮影は2010年6月28日にイギリスで始まり、ロンドン カイルウェント、マンチェスター、リヴァプールでロケが行われた。プレミア上映は2011年7月19日にカリフォルニア州ハリウッドのエル・キャプテン・シアターで行われた。四次元キューブは『マイティ・ソー』のエンドクレジット後に登場した「テッセラクト」と同一であり、『キャプテン・アメリカ/ザ・ファースト・アベンジャー』ではマクガフィンの役割を果たしている。映画ではドミニク・クーパーがトニー・スタークの父親のハワード・スタークの若年期を演じ、『アイアンマン2』でも行われたスターク・エキスポの初期バージョンで司会を務める。映画の最後の場面ではサミュエル・L・ジャクソン演じるニック・フューリーが登場し、さらにエンドクレジット後には『アベンジャーズ』のティーザー予告が流れる。
ソニー・ピクチャーズからソーの権利が取り戻された後の2006年4月、マーク・プロトセヴィッチが脚本執筆のために雇われた。2007年8月、マーベル・スタジオはマシュー・ヴォーンと監督契約を交わした。2008年5月にヴォーンは契約期限が切れて去り、マーベルはプロトセヴィッチに新たな脚本の草案に取り掛からせた。9月、ヴォーンに代わってケネス・ブラナーへの監督交渉に入った。2009年5月、クリス・ヘムズワースがソー役に交渉され、またトム・ヒドルストンがその弟のロキ役となった。両俳優は複数の映画への出演契約を交わした。撮影は2010年1月11日にカリフォルニア州ロサンゼルスで始まり、3月15日にはニューメキシコ州ガリステオへ移った。『アイアンマン』及び『アイアンマン2』にも出演したクラーク・グレッグは『マイティ・ソー』でもS.H.I.E.L.D.エージェントのフィル・コールソン役を務めた。ジェレミー・レナーは『アベンジャーズ』へホークアイ役での出演契約を交わした後、『マイティ・ソー』でのカメオ出演の撮影を済ませた。エンドクレジットの場面でエリック・セルヴィグとニック・フューリーが四次元キューブについて話し、それを見るロキの姿が描かれた。この場面は『アベンジャーズ』の監督でもあるジョス・ウェドンが監督した。セルヴィグを演じたステラン・スカルスガルドは、『マイティ・ソー』の脚本を最初に読んだ時はこの場面は存在しなかったが、『アベンジャーズ』への出演契約を交わしたあとにページが追加されたと述べた。
2008年5月に『アイアンマン』が成功するとマーベル・スタジオは続編を企画中であると発表した。2008年7月、ジョン・ファヴローは続編を監督する契約を交わした。同月、ファヴローとダウニーによる原案を脚本化するためにジャスティン・セローが雇われた。2008年10月、ダウニーは最初の映画を含む新たな4作品分への出演契約を交わした。また『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・ジャクソンは9本の映画での同役への出演契約を交わし、スカーレット・ヨハンソンもまたブラック・ウィドウ役で複数の映画に出演する契約を交わした。主要撮影は2009年4月6日にカリフォルニア州パサデナのパサデナ・マソニック・テンプルで始まった。主な撮影地はカリフォルニア州マンハッタン・ビーチのローリー・スタジオである。他に、エドワーズ空軍基地、モナコ、セプルベダ・ダムでもロケが行われた。今作でもキャプテン・アメリカの盾が再登場するなど、他のマーベル映画への参照が続いている。映画終盤でのS.H.I.E.L.D.の秘密基地の場面では、『インクレディブル・ハルク』の場面の映像が流れ、また世界地図がブラックパンサーが住むアフリカなどを指しているといったイースター・エッグが含まれた。エンドクレジット後の場面ではクレーターからムジョルニア(ソーのハンマー)が発見される。
2006年1月、マーベルは2003年の映画『ハルク』の続編を期限内に製作できなかったユニバーサル・ピクチャーズからハルクの映画化権を取り戻した（配給権はユニバーサルに残った）。マーベルは当初『アイアンマン』に関心を示していたルイ・レテリエを『インクレディブル・ハルク』の監督として雇った。脚本は2003年の映画で草案を書いたザック・ペンが執筆した。2006年4月、エドワード・ノートンがブルース・バナー役の交渉に入り、さらにペンの脚本を書き直したが、最終的に脚本にクレジットされたのはペンのみであった。撮影は2007年7月9日にトロントで始まり、他にニューヨーク、リオデジャネイロで行われた。エンドクレジット後の場面で『アイアンマン』と同じくトニー・スタークを演じるロバート・ダウニー・Jrがカメオ出演した。DVDに収録されたもう一つのオープニングでは氷漬けにされたキャプテン・アメリカが確認できる。
ゼウスが開いたペーレウスとテティスの結婚の祝宴に招かれなかった争いの女神エリスは、宴の最中に黄金の林檎を投げ入れた（あるいは転がし入れた）。黄金の林檎には「καλλίστῃ」（「最も美しい女神に」）と書かれていた。3人の女神、ヘーラー、アテーナー、アプロディーテーがこの林檎を自らに相応しいものとして要求した。ゼウスは、人類で最も美しい男、トロイアのパリスが、間もなく行われる雄牛の審査会で審判をすることに気付き、雄牛に姿を変えたアレースを遣わした。アレースは、ゼウスに命じられたこのこっけいな義務を受け入れた。神たるアレースはどこから見ても完璧であり、結果、金の月桂冠を勝ち取る。ゼウスはパリスが公正公平な審判をすると知っており、パリスに判断させようと考えたのである。彼は林檎をヘルメースに持たせ、パリスにそれを届けて、女神たちが彼の判断を議論抜きに受け入れることを伝えよと命じた。女神たちはパリスのもとに現れ、それぞれ林檎を得るための賄賂としてパリスに贈り物を約束した。ヘーラーは、「アシアの君主の座」を、アテーナーは「戦いにおける勝利」をパリスに約束した。最後のアプロディーテーは、「この世で最も美しい女」、すなわちトロイアのヘレネー（この時点ではスパルタの王妃）を妻に与えようと約束した。パリスはアプロディーテーを選び、これがトロイア戦争の発端となる。パリスはすぐに兄弟と、ヘレネーとメネラーオスの結婚を祝うために出かけた。彼らはそこで夜を迎え、メネラーオスはアガメムノーンに呼び出されると、ヘレネーとパリスだけが残された。このとき二人は愛を交わし、ヘレネーはメネラーオスを捨ててパリスとともにトロイアへ向かった。ここからトロイア戦争が始まった。