Una versión temprana del guion planeaba convertir a Hela en la villana principal de la película, pero el Comité Creativo de Marvel Entertainment se opuso porque no creía poder vender juguetes basados en una villana femenina a niños pequeños.

Kenneth Branagh, director de la primera Thor, se retiró de la secuela porque Marvel quería empezar la producción de inmediato mientras él necesitaba un descanso tras el intenso proceso de la primera película.

Patty Jenkins estuvo contratada para dirigir la película y planeaba una historia inspirada en Romeo y Julieta, con Jane atrapada en la Tierra y Thor obligado a no ir a salvarla, pero abandonó el proyecto por 'diferencias creativas', considerando que no era la persona adecuada para contar la historia que Marvel quería.

Benedict Cumberbatch, quien más tarde interpretaría a Doctor Strange en el UCM, estuvo entre los candidatos a interpretar al villano Malekith el Maldito.

Mads Mikkelsen estuvo en conversaciones para interpretar a uno de los villanos, pero se retiró por compromisos previos, entre ellos la serie Hannibal.

Zachary Levi había sido considerado para el papel de Fandral en la primera película pero no pudo aceptar por su compromiso con la serie Chuck; para la secuela reemplazó a Joshua Dallas, quien tuvo que abandonar el papel por su participación en Once Upon a Time.

Jaimie Alexander sufrió una lesión en el set de rodaje en Londres al resbalar mientras caminaba bajo la lluvia.

El rodaje se realizó bajo el título en clave 'Thursday Mourning' e incluyó locaciones en Bourne Wood (Surrey), Stonehenge, Islandia (incluyendo Dómadalur, Skógafoss, Fjaðrárgljúfur y Skeiðarársandur) y el Old Royal Naval College de Greenwich, siendo descrito como uno de los proyectos cinematográficos más extensos jamás rodados en Islandia.

Elsa Pataky, esposa de Chris Hemsworth en la vida real, sustituyó a Natalie Portman en la escena del beso tras los créditos debido a un conflicto de agenda de la actriz.

Christopher Eccleston necesitaba seis horas de maquillaje y 45 minutos de vestuario cada día para transformarse en Malekith, y su personaje habla un idioma élfico inventado basado en lenguas europeas, posiblemente con influencias del finés.

Para la transformación de Algrim en Kurse, Adewale Akinnuoye-Agbaje usó una prótesis de aproximadamente 18 kilos que requería tres horas de maquillaje diarias, y el actor estimó que un 80% de lo visto en pantalla era él físicamente dentro del traje.

Para lograr un aspecto más natural de Asgard, los equipos filmaron la costa de Noruega durante tres días desde un helicóptero, capturando seis horas de metraje sobre el que Double Negative integró digitalmente el reino.

Para la escena del camión levitando durante el fenómeno de la Convergencia, los cineastas ataron un camión de cemento real a una gran plataforma hidráulica programable para controlar su velocidad y movimiento.

El compositor Carter Burwell fue contratado para la banda sonora pero abandonó el proyecto por diferencias creativas, siendo reemplazado por Brian Tyler, quien ya había compuesto la música de Iron Man 3.

Joss Whedon, guionista y director de The Avengers, fue convocado de urgencia durante la posproducción para reescribir varias escenas problemáticas, entre ellas una ambientada en Londres que no funcionaba en el guion.

Originalmente Loki debía morir en la película, pero tras comprobar que las audiencias de prueba no creían en su muerte, Marvel Studios decidió alterar el desenlace del personaje.

Chris Evans hace un cameo no acreditado interpretando a Loki disfrazado del Capitán América, mientras que el cocreador de Thor, Stan Lee, aparece como paciente en un pabellón psiquiátrico.