jako Darcy Lewis, politolog i asystentka Jane Foster. Ray Stevenson jako Volstagg, przyjaciel Thora, jeden z Trzech Wojowników. Zachary Levi jako Fandral, należący do Trzech Wojowników przyjaciel Thora. Tadanobu Asano jako Hogun, należący do Trzech Wojowników przyjaciel Thora. Jaimie Alexander jako Sif, asgardzka wojowniczka i przyjaciółka Thora z dzieciństwa. Rene Russo jako Frigga, królowa Asgardu, żona Odyna, matka Thora i przybrana matka Lokiego.
W filmie wystąpili również: Chris O’Dowd jako Richard, konkurent Jane Foster; Jonathan Howard jako Ian Boothby, stażysta Darcy; Alice Krige jako Eir, asgardski lekarz; Tony Curran jako Bor, ojciec Odyna oraz Clive Russell jako Tyr, dowódca armii Asgardu.
W rolach cameo pojawili się: twórca komiksów Marvela, Stan Lee jako pacjent szpitala psychiatrycznego, Chris Evans jako Kapitan Ameryka, iluzja stworzona przez Lokiego oraz w scenie po napisach Benicio del Toro jako Taneleer Tivan, kolekcjoner i Ophelia Lovibond jako jego pomocniczka, Carina.