Casting W październiku 2014 roku poinformowano, że Chris Hemsworth jako Thor i Tom Hiddleston jako Loki powrócą w filmie. Rok później do obsady dołączył Mark Ruffalo jako Bruce Banner / Hulk. W grudniu roku poinformowano, że studio prowadzi negocjacje z Cate Blanchett. W styczniu 2016 roku potwierdzono udział aktorki, a miesiąc później ujawniono, że zagra Helę. W kwietniu do obsady dołączyła Tessa Thompson jako Walkiria. W maju poinformowano, że swoje role powtórzą Idris Elba jako Heimdall i Anthony Hopkins jako Odyn. Ujawniono również, że w filmie wystąpią Jeff Goldblum jako Arcymistrz i Karl Urban jako Skurge. W lipcu poinformowano, że w filmie pojawią się postacie Surtura i wilka Fenrisa. W sierpniu ujawniono, że swoje role powtórzą: Zachary Levi jako Fandral, Tadanobu Asano jako Hogun i Ray Stevenson jako Volstagg, a we wrześniu tego samego roku Sam Neill poinformował, że zagra w filmie.
W lutym 2017 roku ujawniono, że Taika Waititi również zagra w filmie. Reżyser później przyznał, że wystąpił za pomocą technologii motion capture dwie postacie. Pierwszą z nich był Korg, któremu użyczył również głosu, a drugą był Surtur.