Robert Downey, Jr.
2019年7月20日，漫威在聖地牙哥國際漫畫展上公佈影片將於2020年5月1日在美國上映，同時正式確認選角，大衛·哈伯出演「紅色守衛者」阿列克謝·肖斯塔科夫，佛蘿倫絲·普伊出演「黑寡婦」葉蓮娜·貝洛娃，O·T·費本勒出演，瑞秋·懷茲出演。8月，荷蘭健美選手奧利維爾·里希特斯確定加入劇組。9月13日，《好萊塢新聞前線》報導稱小勞勃·道尼將在影片中客串出演「鋼鐵人」東尼·史塔克。小勞勃·道尼最終未參演《黑寡婦》。導演凱特·蕭蘭稱不考慮讓東尼·史塔克或者其他的超級英雄出現於影片之中，「我們希望打造娜塔莎·羅曼諾夫的獨立電影，不想留下她仍需要支援的感覺。」