Mesmo com as filmagens em andamento, Thor 3 continua contratando nomes para seu elenco. A novidade da hora é a atriz Tessa Thompson, conhecida pelo trabalho recente em Creed: Nascido para Lutar.
Ainda não há detalhes sobre o papel, mas especula-se que ela represente para a história o que Natalie Portman representou para os anteriores. A atriz vencedora do Oscar não voltará para a terceiro Thor.
Chris Hemsworth, Tom Hiddleston, Mark Ruffalo e Cate Blanchett completam o elenco principal. Jaimie Alexander deve retornar para o papel de Lady Sif, mas ainda não é oficial. Em entrevista recente ao AdoroCinema, a atriz de Blindspot afirmou: "Sabe de uma coisa, eu realmente não sei muito de Thor. Sei que está sendo rodado na Austrália. Eu ouvi dizer. Não vi nada oficial, mas tenho certeza que está, pois o Chris (Hemsworth) mora lá. Vai depeder de eu conseguir encaixar o cronograma no meu intervalo de filmagens, mas sei que estão revendo o roteiro, então não tenho certeza de quem está ou não no filme. Não posso dar uma resposta definitiva, pois eu não sei ainda."