Phil Coulson
電影設定跟《無敵浩克》及《鋼鐵人2》的事件同時發生，後者故事發生時間設定於《鋼鐵人》的6個月後。曾在《鋼鐵人》及《鋼鐵人2》當中飾演神盾局探員菲爾·考森的克拉克·格雷格，在《雷神索爾》繼續出演該角色。克拉克·格雷格表示：「探員菲爾·考森是其中一個此前未出現於漫畫中的角色，在《鋼鐵人》中是個非常小的角色，而我則很幸運，他們決定擴展這個角色，並讓他融入在漫威的宇宙系列當中。」已簽約於《復仇者聯盟》中演出「鷹眼」克林特·巴頓的傑瑞米·雷納在《雷神索爾》中客串出場。導演肯尼斯·布萊納說他們「當雷神索爾闖入神盾局的營地時，在行動上總會有一個人在籃子裡」，當製片人告訴他指他們希望傑瑞米·雷納飾演的鷹眼擔當這角色時，他感到相當興奮。