Robert Downey, Jr. vai Tony Stark / Iron Man (Người Sắt)Một người tự nhận mình là bác ái, tỉ phú, đào hoa và nhà từ thiện với bộ đồ cơ khí do tự anh ta sáng chế. Downey được phân vai như một phần trong hợp đồng của anh với hãng Marvel, bao gồm Người Sắt 2 và The Avengers. Downey nói rằng anh muốn nhân vật của mình xuất hiện đầu tiên: "Tôi cần ở trong cảnh phim đầu tiên. Tôi không biết anh nghĩ gì nhưng nhân vật của tôi phải làm điều này". Đạo diễn nói: "Thôi được, cứ thử xem". "Chúng tôi đã thử điều này và có vẻ nó không hiệu quả lắm, bởi vì đây là một điều gì đã khác đi, câu chuyện và những ý tưởng là chính, mọi người phải như là một cái xúc tu của con bạch tuộc" - Downey nói. Về sự phát triền tính cách của nhân vật, Downey phát biểu rằng: "Trong Người Sắt 1, đó là một câu chuyện nguyên bản, anh ta mở màn cho sự xuất hiện và tìm lại vị trí của mình, Người Sắt 2 thì không phải là một việc riêng biệt nữa, phải giao tiếp và tạo không gian cho người khác, còn trong The Avengers, anh ấy sẽ bỏ lại những thứ đó".Chris Evans vai Steve Rogers / Captain America (Đội trưởng Mỹ)Một cựu chiến binh từ Thế chiến thứ II đã được tăng cường tới mức đỉnh cao của thể chất, nhờ một thí nghiệm huyết thanh. Evans được phân vai như một phần của hợp đồng đóng cho 3 phim của Marvel. Evans nói rằng nhân vật Steve Rogers sẽ sâu sắc hơn trong The Avengers: "Nó thực sự là việc anh ta cố gắng để đến với Thế giới hiện đại, bạn phải tưởng tượng ra, nó thực sự là một cú sốc để chấp nhận rằng bạn đang ở trong một nơi hoàn toàn khác, những người bạn biết đã không còn, những người bạn quan tâm,.. anh ta là một chiến binh, những người anh ta chiến đấu cùng, tất cả những anh em,.. họ đều đã chết, anh ta hoàn toàn đơn độc. Tôi nghĩ cái phân cảnh bắt đầu, như là việc cá nhảy khỏi nước, nó thực sự khó, như là một viên thuốc đắng mà bạn không dễ dàng gì nuốt nó. Sau đó phải tìm đến sự cân bằng với thế giới hiện tại". Về vấn đề khác nhau giữa Captain và Tony, Evans nói: "Tôi nghĩ đó chắc chắn là một sự phân đôi, sự khác biệt giữa tôi và Tony, một gã thì sặc sỡ, nổi bật và ngọt xớt, một gã thì vị tha, và họ phát hiện rằng mình phải hòa hợp với nhau, trong sự yên lặng. Điều đó khá thú vị đấy".Mark Ruffalo vai Bruce Banner / HulkMột nhà khoa học thiên tài, người mà do sự tiếp xúc với bức xạ gamma đã biến thành một con quái vật khi bị kích thích hoặc tức giận. Ruffalo được phân vai sau thỏa thuận giữa Marvel và Edward Norton thất bại. Về việc thay thế, Ruffalo nói: "Tôi là bạn của Ed, ừ, đó không phải là cách tốt cho chúng tôi. Nhưng cách tôi nhìn nhận vấn đề là Ed đã truyền lại vai diễn này cho tôi". Về nhân vật Hulk, Ruffalo nói: "Anh ta là một người phải đấu tranh với 2 mặt – một sáng một tối, và mọi thứ anh ta làm được thể hiện qua sự kiểm soát của anh ta. Tôi lớn lên trong series truyền hình Bill Bixby TV, nơi mà tôi nghĩ đã cho tôi một sắc thái thực sự và một cách nhìn nhân văn hơn với nhân vật Hulk. Tôi thích những phẩm chất đó". Về vị trí của Hulk trong đội, Ruffalo nói: "Anh ta giống như một đồng đội mà chẳng có ai dám chắc rằng họ muốn có trong đội mình. Anh ấy rất dễ bị kích động. Đây cũng là lần đầu tiên mà diễn viên đóng vai Banner phải đóng luôn vai Hulk". Ruffalo nói với tạp chí New York Times: "Tôi rất hào hứng, chưa ai từng đóng vai Hulk bằng chính mình, họ luôn dùng công nghệ CGI. Còn trong The Avengers, họ sẽ ghi lại những hành động của tôi như phim Avatar vậy, vì thế tôi thực sự đóng vai Hulk, nó thực sự thú vị". Để tạo ra giọng của Hulk, họ dùng giọng của Ruffalo trộn với giọng của Lou Ferrigne và những người khác. Tuy nhiên, câu nói duy nhất của Hulk ("Punny God") được thể hiện duy nhất bằng giọng của Ruffalo.Chris Hemsworth vai ThorVị thần sấm dựa trên câu chuyện về thần Bắc Âu cùng tên. Hemsworth được phân vai như một phần trong hợp đồng nhiều phim với Marvel. Trước đây anh cũng đã từng làm việc với đạo diễn Whedon trong phim The cabin in the woods. Hemsworth nói rằng anh có thể giữ được hình thể như trong Thor, bằng cách tăng lượng thức ăn của mình, gồm ức gà, cá, bít tết và trứng mỗi ngày. Khi được hỏi chính xác là bao nhiêu, anh nói: "Cơ thể tôi đã tăng lượng protein lên rất nhiều". Anh cũng nói về động cơ thúc đẩy của Thor: "Đó hơn cả vấn đề cá nhân, trong cảnh mà em trai của anh ấy kích động mọi thứ lên, rồi có cả người khác, đó là những kẻ xấu họ cần hạ gục. Đó là cách giải quyết cho tôi, hay là cho Thor. Anh ta luôn phải chiến đấu cho những điều cao đẹp hơn, tôi cũng từng cãi cọ với anh em trong nhà, thậm chí với gia đình, và tôi là người duy nhất có quyền giận họ, vì vậy nó cũng có vài nét tương đồng như vậy trong phim".Scarlett Johansson vai Natasha Romanoff / Black Widow (Góa Phụ Đen)Một gián điệp đã được huấn luyện kĩ càng cho tổ chức gìn giữ hòa bình thế giới, S.H.I.E.L.D. Về nhân vật và mối quan hệ với Mắt Ưng, Johansson nói: "Những nhân vật của chúng tôi có chiều dài lịch sử. Họ đã chiến đấu cùng với nhau trong khoảng thời gian dài, trong nhiều trận đấu, tại những mảnh đất khác nhau. Chúng tôi là hai thành viên của nhóm Biệt Đội Siêu Anh Hùng này, những người được huấn luyện như những chiến binh thực thụ, chúng tôi không có siêu năng lực. Mặc dù vậy, Góa phụ đen chắc chắn là một người trong đội, cô ấy không đơn giản để đóng một vai làm nền hay chỉ với một con mắt hình viên kẹo ngọt ngào, cô ấy ở đó để chiến đấu, vì thế tôi không bao giờ cảm thấy mình là một cô gái đơn độc. Chúng tôi có nhiều kỹ năng và khiến tôi cảm thấy mọi người ngang bằng nhau". Về việc huấn luyện, Johansson nói: "Mặc dù Người Sắt 2 cũng là một trong số đó nhưng tôi chưa bao giờ phải làm thứ gì như thế, tôi chưa bao giờ phải dồn mình để tập luyện thể chất nhiều như vậy, hoặc là một phần của cái gì đó rất lớn lao. Để đóng trong The Avengers, tôi đã trải qua nhiều tháng để rèn luyện với đội đóng thế, chiến đấu với những nam diễn viên khác, nó thật điên cuồng. Tôi chẳng làm gì ngoài việc phải đánh nhau – lúc nào cũng như thế".Jeremy Renner vai Clint Barton / Hawkeye (Mắt Ưng)Một điệp viên của S.H.I.E.L.D và là người giỏi bắn cung, được biết đến trong truyện tranh như là "Người bắn giỏi nhất thế giới". Renner nói đó là một vai diễn với sức mạnh thể chất và anh đã phải rèn luyện thể chất cùng và việc bắn cung với hiệu suất cao nhất. Về vai diễn, Renner nói: "Khi tôi xem Người Sắt, tôi nghĩ đó là một cú khởi đầu đến gần với những siêu anh hùng. Sau đó họ nói với tôi về nhân vật Hawkeye, và tôi thích cách anh ta không thực sự là một siêu anh hùng, anh ta chỉ là một người với khả năng bắn cung giỏi. Tôi có thể thích hợp với việc đó". Về khả năng bắn cung của Hawkeye, Renner nói: "Đó là một cuộc chơi đơn độc. Anh ta là kẻ ngoại đạo. Sự kết nối duy nhất là nhân vật của Scarlett, Natasha. Đó như là tay trái với tay phải vậy. Họ cùng tồn tại, và bạn cần cả hai, đặc biệt khi đến với nhiệm vụ nào sử dụng đến tay chân".Tom Hiddleston vai LokiEm trai của Thor và cũng là kẻ thù (dựa trên vị thần cùng tên).Samuel L. Jackson vai Nick FuryNgười điều hành của S.H.I.E.L.D., người mà trong những bộ phim trước nảy ra ý tưởng về "Chiến dịch báo thù". Jackson được mang đến dự án với một hợp đồng tuyển chọn để đóng vai nhân vật đến 9 phim của Marvel. Jackson nói rằng anh thực sự phải diễn nhiều hơn những bộ phim trước đây: "Bạn không cần phải chờ đến cuối phim để thấy tôi đâu". Về vai diễn, Jackson nói: "Nó thực sự tuyệt vời khi được đóng một vai tốt để mà chống lại một kẻ phản diện trong xã hội".Clark Gregg vai Phil CoulsonMột đặc vụ của S.H.I.E.L.D, người quan sát các hoạt động của nhiều lĩnh vực. Gregg được phân vai như một phần của hợp đồng với nhiều phim của Marvel. Nói về vai diễn của mình, nó được trải rộng ra trong The Avengers: "Những gì đặc vụ Coulson làm đã trở thành một phần đặc biệt của câu truyện này, tầm quan trọng của những việc anh ta làm là mang những siêu anh hùng lại với nhau. Nó hơi siêu thực, như ai đó đang chơi trò lố bịch vậy. Nhưng không phải vậy, nó là điều thực tế, tôi phải có mặt và làm những công việc đó, và cảm thấy đó là một sự trả giá tuyệt vời cho chuyến hành trình đã qua và những sự thật tôi đã tìm được trong 5 năm qua". Gregg nói rằng Whedon đã cho thấy được quá khứ của nhân vật, đặc biệt là việc trở thành một fan của Captain America (Đội Trưởng Mỹ).Cobie Smulders vai Maria HillMột điệp viên của S.H.I.E.L.D, người làm việc thân cận với Nick Fury.