克里斯•海姆斯沃斯（Chris Hemsworth）以崭新的形象出现在海报上。这是他继肯尼思•布拉纳（Kenneth Branagh）导演的《雷神》和乔斯•韦登（Joss Whedon）导演的《复仇者联盟》（The Avengers）后，再度扮演奥丁之城的英雄托尔（Thor）一角。

娜塔莉•波特曼（Natalie Portman）将继续扮演简•福斯特（Jane Foster）——有消息称她是被逼的。而汤姆•希德勒斯顿（Tom Hiddleston）将再次饰托尔的宿敌洛基（Loki）。

除了洛基，克里斯托弗•伊莱斯顿（Christopher Eccleston）和阿德沃尔•阿吉纽依-艾格拜吉（Adewale Akinnuoye-Agbaije）也会加入扮演反派角色。希德勒斯顿还称赞伊莱斯顿的演技“非常有吸引力”。

安东尼•霍普金斯（Anthony Hopkins，饰雷神之父），伊德瑞斯•艾尔巴（Idris Elba，饰彩虹桥守护神）和凯特•戴琳斯（Kat Dennings，饰波特曼助手）也将回归。扎克瑞•莱维（Zachary Levi）则代替乔舒华•达拉斯（Josh Dallas）饰演三勇士之一的范达尔（Fandral）。

《权力的游戏》的导演艾伦•泰勒（Alan Taylor）将接替布拉纳执导《雷神2》。剧本由《美国队长》（Captain America: The First Avenger）的编剧克里斯托弗•马库斯（Christopher Markus）和斯蒂芬•麦克菲利（Stephen McFeely）联手漫画家克里斯托夫•约斯特（Christopher Yost）共同撰写。