Thor: Tình yêu và sấm sét
Diễn viên

Hemsworth, Thompson, và Portman tại San Diego Comic-Con 2019
Chris Hemsworth vai Thor:
Một Avenger và là cựu vương của Asgard, dựa trên vị thần cùng tên trong thần thoại Bắc Âu. Đạo diễn Taika Waititi nói rằng Thor đang trải qua một cuộc khủng hoảng tuổi trung niên trong phim, vì anh ấy "chỉ đang cố gắng tìm ra mục đích của mình, cố gắng tìm ra chính xác anh ấy là ai và tại sao anh ấy là một anh hùng hoặc liệu anh ấy có nên trở thành một anh hùng".
Christian Bale vai Gorr – Kẻ sát thần:
Một sát thủ dải ngân hà đầy sẹo, kẻ có âm mưu tiêu diệt các vị thần và sử dụng  thanh kiếm "All-Black the Necrosword". Waititi mô tả Gorr là "rất ghê gớm" và có nhiều lớp. Bale cảm thấy nhân vật có "thái độ hơi Nosferatu", và lấy cảm hứng từ video âm nhạc Aphex Twin cho "Come to Daddy" (1997). Waititi đã chọn thay đổi các đặc điểm trên khuôn mặt của Gorr trong phim vì diện mạo ban đầu của hắn trong truyện tranh giống Chúa tể Voldemort trong loạt phim Harry Potter.
Tessa Thompson trong vai Valkyrie:
Vua của New Asgard, dựa trên thần thoại là Brynhildr. Thompson và nhà sản xuất Kevin Feige cho biết đặc điểm lưỡng tính của nhân vật sẽ được giải quyết trong phim. Waititi cho biết Valkyrie phải điều chỉnh các khía cạnh quan liêu của việc cai trị, tránh xa chiến trường, chẳng hạn như xử lý cơ sở hạ tầng và kinh tế của New Asgard và tiếp đón các đại biểu từ các quốc gia khác.
Jaimie Alexander trong vai Sif: Một chiến binh Asgardian và là bạn thời thơ ấu của Thor, dựa trên vị thần cùng tên trong thần thoại Bắc Âu.
Taika Waititi trong vai Korg: Một đấu sĩ người Kronan kết bạn với Thor.
Russell Crowe trong vai Zeus: Vị vua của các vị thần trên đỉnh Olympus, dựa trên vị thần cùng tên trong thần thoại Hy Lạp.
Natalie Portman trong vai Jane Foster / Mighty Thor:
Một nhà vật lý thiên văn và bạn gái cũ của Thor, người đang điều trị ung thư trong khi trở thành siêu anh hùng Mighty Thor, có được trang phục và sức mạnh tương tự như Thor do sử dụng phiên bản tái tạo của chiếc búa Mjolnir của anh ấy. Portman, người không xuất hiện trong phần trước Thor: Ragnarok (2017), đồng ý trở lại sau cuộc gặp với Waititi, người nói việc Foster trở lại cuộc sống của Thor sau tám năm sẽ là một sự điều chỉnh lớn đối với anh ta vì cô đã có một cuộc sống khác mà không có anh ta. Waititi nói thêm rằng Foster xuất hiện trong trang phục giống như Thor sẽ là một "suy nghĩ thực sự" đối với anh ta.
Ngoài ra, nhóm Vệ binh dải Ngân Hà còn có mặt trong phim, với Chris Pratt, Pom Klementieff, Dave Bautista, Karen Gillan, Vin Diesel và Bradley Cooper đảm nhận các vai trò MCU tương ứng của họ là Peter Quill / Star-Lord, Mantis, Drax the Destroyer, Nebula, Groot, và Rocket, cùng với Sean Gunn trong vai Kraglin Obfonteri. Matt Damon, Sam Neill và Luke Hemsworth diễn lại vai diễn của họ với tư cách là các diễn viên người Asgard lần lượt đóng vai Loki, Odin và Thor, với Melissa McCarthy tham gia cùng họ với tư cách là một nữ diễn viên đóng vai Hela, và chồng của McCarthy là Ben Falcone trong vai người quản lý sân khấu. Stephen Murdoch lồng tiếng cho Miek. Dàn diễn viên trở lại từ loạt phim Thor lần lượt là Kat Dennings và Stellan Skarsgård trong vai đồng nghiệp của Foster là Darcy Lewis và tiến sỹ Erik Selvig, và Idris Elba trong vai Heimdall trong cảnh post-credit, với Daley Pearson đảm nhận vai trò của anh ấy trong loạt phim Team Thor với vai Daryl, hiện đang làm hướng dẫn viên du lịch ở New Asgard.
Simon Russell Beale xuất hiện với tư cách là thần Dionysus trên đỉnh Olympus, trong khi Akosia Sabet xuất hiện với tư cách là nữ thần Bast. Jonathan Brugh, người đóng vai Deacon trong bộ phim What We Do in the Shadows của Waititi năm 2014, xuất hiện như một trong những vị thần trong phim. Kieron L. Dyer đóng vai Axl, con trai của Heimdall; con gái của Hemsworth, India, đóng vai Love, con gái của Gorr; Elsa Pataky, vợ của Hemsworth, xuất hiện trong vai một người phụ nữ sói; và các con của Portman và Waititi đóng vai những đứa trẻ New Asgard. Ca sĩ Jenny Morris xuất hiện như một công dân New Asgard. Brett Goldstein xuất hiện trong vai Hercules, con trai của Zeus trong cảnh mid-credit.
Jeff Goldblum và Peter Dinklage đều dự định sẽ đóng lại các vai trò tương ứng của họ là Grandmaster từ Thor: Ragnarok và Eitri từ Avengers: Cuộc chiến vô cực (2018), nhưng cảnh của họ đã bị cắt khỏi bản chiếu rạp. Lena Headey cũng được định xuất hiện trong phim, nhưng các cảnh của cô cũng bị xóa.