In den Hauptrollen sind Chris Hemswort als Thor, Scarlett Johansson als Black Widow, Chris Evans als Captain America, Jeremy Renner als Hawkeye, Robert Downey Jr. als Iron Man, Cobie Smulders als Agentin Maria Hill, Tom Hiddleston als Loki, Mark Ruffalo als Hulk und Samuel L. Jackson als Nick Fury zu sehen. Außerdem werden auch Gwyneth Paltrow, Stellan Skarsgård, Clark Gregg und Paul Bettany ihre Rollen aus vorherigen Marvel-Verfilmungen wieder aufnehmen. Der Gastauftritt von Stan Lee ist ebenfalls bestätigt.
Die Regie hat derweil Joss Whedon übernommen. Der Mann hat die Serien „Firefly“, „Dollhouse“, „Buffy“ und „Angel“ erfunden, sowie die Mini-Musical-Serie „Dr. Horrible’s Sing-Along Blog“. Zu seinen Regiearbeiten gehören außerdem Folgen der Serien „Das Büro“ und „Glee“. Zuletzt inszenierte er die Szene aus dem Marvel Film „Thor“, die nach dem Abspann gezeigt wurde.