Edward Norton skulle egentlig ha gjentatt rollen som Bruce Banner, men forhandlingene med Marvel førte ikke frem. Han ble dermed erstattet av Mark Ruffalo, som dermed er den tredje skuespilleren på tre filmer som stepper inn som Banner (etter Eric Bana og Norton). Joaquin Phoenix ble også på et tidspunkt vurdert for rollen. Ruffalo kommer som første skuespiller til å portrettere både Bruce Banner og Hulken (sistnevnte gjennom motion capture). Tidligere har enten kroppsbygger og skuespiller Lou Ferrigno stått for den fysiske fremtoningen, eller så har den grønne kjempen blitt dataanimert. Ferrigno gir imidlertid fremdeles stemme til Hulken. Før Cobie Smulders fikk rollen som Maria Hill, gjorde også Morena Baccarin, Jessica Lucas og Mary Elizabeth Winstead audition for rollen. En rekke av de som medvirker i filmen er Oscar-nominerte; dette gjelder både Robert Downey jr., Mark Ruffalo, Jeremy Renner, Samuel L. Jackson og Gwyneth Paltrow, i tillegg til kinematograf Seamus McGarvey.