In Galisteo (New Mexico) wurde eine gesamte Stadt errichtet, die als fiktiver Schauplatz für den Film diente.
Für seine Rolle des Kriegers Volstagg musste Ray Stevenson einen speziell angefertigten Fat Suit tragen, der Volstagg ein rundliches aber robustes und kräftiges Äußeres verlieh.
Für die Rolle des Thor hat Chris Hemsworth einiges an Muskeln und Gewicht aufgebaut. Sechs Monate lang ging er regelmäßig ins Fitness-Studio und durfte im Zuge einer Ernährungsumstellung lediglich Eier, Geflügel, Sandwiches, Gemüse, braunen Reis, Steak und Proteindrinks zu sich nehmen.
Jaimie Alexander war Mitglied des Wrestling-Teams ihrer High School in Colleyville (Texas). Die Erfahrungen in Sachen Kämpfen waren laut Alexander recht hilfreich für die Verkörperung der Götter-Kriegerin Sif.
Tom Hiddleston hielt in Vorbereitung auf den Film strikt Diät, damit seine Filmrolle Loki ein hageres und abgemagertes Aussehen erhält.