Chris Hemsworth og hans bror Liam var de to som til slutt kjempet om rollen som Thor. Andre skuespillere som var i diskusjonen på forskjellige stadier var Brad Pitt, Channing Tatum, Paul Levesque, Daniel Craig, Charlie Hunnam, Tom Hiddleston, Alexander Skarsgård og Joel Kinnaman. Som kjent fikk Chris Hemsworth hovedrollen, mens Hiddleston fikk rollen som Loki. Natalie Portman tok sin rolle fordi hun ikke kunne motstå muligheten til å være en del av en tegneserieadaptasjon av regissør Kenneth Branagh, som ikke akkurat er kjent for å bevege seg innenfor de territoriene. Første gang Anthony Hopkins så Chris Hemsworth i full utrustning sa han spøkefullt: "Gud, det kreves vel ikke noe skuespill her, gjør det vel?" Dette var Hopkins' første film basert på en tegneserie.