I oktober 2011 ble det bekreftet at Patty Jenkins ville regissere filmen, og at Natalie Portman også kommer tilbake som Jane Foster. Senere avkreftet Jenkins at hun skal regissere filmen. Alan Taylor, best kjent for å ha regissert episoder av TV-serien , erstattet henne. Chris Hemsworth har snakket om valget av Taylor og at han tror at hans versjon av Åsgard vil bli forskjellig fra Branaghs, men at han også tror den nye regissøren vil ha mye å tilføre. Litt før Portmans rolle var klarert for filmen, hadde også Tom Hiddleston bekreftet at vil gjenta rollen som Loki, mens Idris Elba langt på vei avslørte at han også er tilbake i som portvokteren Heimdall. Stellan Skarsgård er bekreftet for en retur til Åsgard. Også Jaimie Alexander, Josh Dallas og Ray Stevenson, som alle spilte venner av Thor i originalen, har lettet på sløret i forhold til å være med i oppfølgeren. Imidlertid har Dallas måttet kaste inn håndkleet grunnet sin kontrakt med TV-serien , og Zachary Levi, som også var høyaktuell for rollen i originalen, erstattet ham. I tillegg er Tadanobu Asano, som spilte Hogun (en annen venn av Thor), med i filmen. Også danske Mads Mikkelsen ble klar for filmen i mai 2012, i rollen som hovedantagonisten Malekith. Han måtte senere trekke seg grunnet kollisjon med , en ny TV-serie han skal spille i. 1. august ble det klart at Christopher Eccleston skal erstatte ham.