Com suas filmagens próximas de começar, Thor vai fechando seu elenco. A atriz Adriana Barraza, que despontou em Babel e recentemente atuou em Arraste-me para o Inferno, é a mais nova anunciada. O papel não foi divulgado, mas ela provavelmente ficará com uma personagem terráquea.
Completam o elenco Chris Hemsworth (Thor), Tom Hiddleston (Loki), Natalie Portman (Jane Foster), Anthony Hopkins (Odin), Jaimie Alexander (Sif), Stuart Townsend (Fandral), Ray Stevenson (Volstagg), Tadanobu Asano (Hogun), Idris Elba (Heimdall), Colm Feore (um vilão), Samuel L. Jackson (Nick Fury), Renee Russo (Frigga), Kat Dennings e Stellan Skarsgård.
Thor estreia em 6 de maio de 2011.