W tytułową rolę wcielił się Chris Evans, a obok niego w głównych rolach wystąpili: Tommy Lee Jones jako Chester Phillips, Hugo Weaving jako Johann Schmidt, Hayley Atwell jako Peggy Carter, Sebastian Stan jako James Barnes, Dominic Cooper jako Howard Stark, Neal McDonough jako Dum Dum Dugan, Derek Luke jako Gabe Jones i Stanley Tucci jako Abraham Erskine.
Swoją rolę z poprzednich filmów franczyzy powtórzył Samuel L. Jackson jako Nick Fury. W innych produkcjach uniwersum Howarda Starka zagrał również John Slattery jako starsza wersja postaci. Cooper natomiast grał jej młodszą wersję. Weaving został później zastąpiony przez Rossa Marquanda. Kontynuacje filmu Kapitan Ameryka: Zimowy żołnierz i Kapitan Ameryka: Wojna bohaterów miały premierę w 2014 i 2016 roku. Na 2025 rok zapowiedziany jest czwarty film z serii, Kapitan Ameryka: Nowy wspaniały świat.
Film został zapowiedziany w 2006 roku podczas San Diego Comic-Conu. Zdjęcia do filmu trwały od czerwca do listopada 2010 roku.
Avengers (2012) mały|skaluj=0.65|Joss Whedon, reżyser filmów Avengers i Avengers: Czas Ultrona.