Uma versão inicial do roteiro planejava Hela como vilã do filme, mas o Comitê Criativo da Marvel Entertainment rejeitou a ideia por não acreditar que conseguiriam vender brinquedos de uma vilã feminina para meninos.
Kenneth Branagh, diretor do primeiro Thor, desistiu da sequência porque não se sentia pronto para retomar imediatamente um projeto tão intenso logo após o primeiro filme.
Patty Jenkins chegou a ser contratada para dirigir o filme, mas saiu por 'diferenças criativas'; ela pretendia fazer uma história inspirada em Romeu e Julieta, com Thor proibido de ir até a Terra salvar Jane.
Antes de Alan Taylor assumir a direção, nomes como Brian Kirk e Daniel Minahan foram cogitados, e o roteiro original de Don Payne passou por reescritas de vários roteiristas, incluindo Robert Rodat.
Mads Mikkelsen esteve em negociações para interpretar um dos vilões, mas teve que recusar devido a compromissos com a série Hannibal.
Benedict Cumberbatch foi cogitado para o papel de Malekith antes de ser escalado posteriormente como Doutor Estranho no MCU.
Zachary Levi substituiu Joshua Dallas no papel de Fandral, já que Dallas não pôde retornar por causa da série Once Upon a Time; curiosamente, Levi já havia sido cotado para o papel no primeiro filme, mas teve que recusar por causa da série Chuck.
Elsa Pataky, esposa de Chris Hemsworth, substituiu Natalie Portman na cena do beijo pós-créditos devido a um conflito de agenda de Portman.
Chris Evans faz uma aparição não creditada como Loki disfarçado de Capitão América, e Stan Lee aparece em uma cena como paciente de um hospital psiquiátrico.
Jaimie Alexander se machucou no set em Londres depois de escorregar enquanto caminhava sob chuva.
As filmagens ocorreram entre setembro e dezembro de 2012 sob o título provisório 'Thursday Mourning', em locações como Bourne Wood, Stonehenge, Shepperton Studios e também na Islândia, considerada uma das maiores produções cinematográficas já realizadas no país.
Para dar um visual mais natural a Asgard, a equipe filmou a costa da Noruega de helicóptero durante três dias, captando seis horas de imagens que depois serviram de base para a recriação digital do reino.
Para a cena do caminhão-betoneira flutuante, causada pelo fenômeno da Convergência, os cineastas prenderam o veículo a um grande equipamento hidráulico programável.
A transformação de Algrim em Kurse foi feita pela Double Negative por meio de morphing entre as performances ao vivo de Adewale Akinnuoye-Agbaje como os dois personagens, acrescentando efeitos de fumaça e lava.
A sequência de abertura ambientada 5.000 anos antes, no mundo natal dos Elfos Negros, foi feita majoritariamente em CGI pelo estúdio Blur Studio, já que os figurinos ao vivo eram restritivos demais para os movimentos desejados.
Carter Burwell foi inicialmente contratado para compor a trilha sonora, mas foi substituído por Brian Tyler, que também havia composto Homem de Ferro 3, após divergências criativas.
Christopher Eccleston precisou de seis horas de maquiagem e 45 minutos de figurino diariamente para interpretar Malekith, e seu personagem fala um idioma élfico inventado com influências de línguas europeias, possivelmente incluindo o finlandês.
Loki originalmente deveria morrer no filme, mas como o público de testes não acreditou que ele realmente havia morrido, a Marvel Studios decidiu alterar o desfecho do personagem.
Joss Whedon, diretor de Os Vingadores, foi chamado às pressas para reescrever cenas problemáticas durante as regravações, incluindo uma cena-chave ambientada em Londres.
O filme superou a bilheteria de seu antecessor após apenas 19 dias em cartaz e teve a maior estreia de novembro para um filme distribuído pela Disney até então, superando Os Incríveis.
