Den neste skuespilleren som ble klar for var Samuel L. Jackson, som i februar 2009 signerte en avtale på ni filmer som Nick Fury, lederen av superheltgruppa. Kort tid etter erstattet Scarlett Johansson Emily Blunt som Natalie Rushman/Natasha Romanoff/Black Widow i , noe som også knyttet henne til . Chris Hemsworth og Tom Hiddleston, som spiller Thor og Loki, ble også klare for filmen litt før ble sluppet. Chris Evans, som spiller Captain America, ble også klar for filmen i mars 2010. Regissør Joss Whedon signerte under for å ta hånd om filmen måneden etter.