En 2011, Patty Jenkins fue oficialmente anunciada como directora de esta película. Sin embargo, en diciembre de 2011, ella abandonó el proyecto alegando "diferencias creativas".
No se puede negar que el año 2012 fue un año muy productivo para Chris Hemsworth. Además de su papel como protagonista en la secuela de 'Thor', el nombre del actor apareció en trabajos como The Cabin in the Wood, Blancanieves y la leyenda del cazador o Marvel Los Vengadores.
Kat Dennings repite su papel de Darcy Lewis, que es ampliado con respecto a su importancia en el cómic.
En agosto de 2012, Adewale Akinnuoye-Agbaje (G.I. Joe) fue fichado para interpretar el papel de Algrim el fuerte.
Thor 2 cambió de guionista y director. El responsable de escribir el guión en esta ocasión es Robert Rodat y Alan Taylor sustituye al anterior director, Kenneth Branagh.
Los motivos que pudieron ocasionar el cambio en la dirección están relacionados con la urgencia del proyecto, ya que Marvel quería comenzar el rodaje lo antes posible. Algo que los compromisos profesionales de Branagh no le permitían. Por este motivo, y después de barajar otras posibilidades, Alan Taylor fue el nuevo elegido.
El guion de Thor: El mundo oscuro fue el último escrito por el guionista Don Payne, que falleció a causa de un cáncer de huesos antes del estreno de esta secuela.