Предполагалось, что Джошуа Даллас вернется в фильм в роли Фандрала, однако занятость на съемках сериала «Однажды в сказке» не позволила актеру этого сделать. Место Далласа в фильме занял Закари Левай, которому изначально и предназначалась роль Фандрала. Улицы Асгарда — самая большая съемочная площадка, когда-либо строившаяся для фильма Marvel. Город воспроизведён с такой точностью, что можно прогуляться по его улицам, заглянуть в магазины, пабы и на тренировочные площадки. Съемочная группа множество часов снимала с воздуха водопад Деттифосс в Исландии, самый мощный водопад в Европе, чтобы потом на компьютере придать природную реалистичность водопадам, окружающим Асгард. Съемки в Исландии проходили в таких труднодоступных точках, что зачастую съемочной группе приходилось часами добираться от аэропорта до отеля, а затем ехать еще несколько часов от отеля до вулканических полей, послуживших съёмочной площадкой для сцен в Царстве тьмы. Если хорошо приглядеться к деталям интерьера лондонской квартиры Джейн Фостер, можно заметить, что листок с нотами на фортепиано озаглавлен «Тор — Бог Грома». Фотографии Джейн Фостер в детстве были любезно предоставлены для съемок мамой Натали Портман. Для съемок было изготовлено около 30 молотов разного веса для использования в различных сценах. Основной молот выполнен из алюминия и воспроизведен в нескольких вариантах разного веса и из разных материалов, включая «мягкую» версию для выполнения трюков в фильме. Дизайн Мьёльнира, молота Тора, претерпел изменения со времен его появления в фильме Marvel «Мстители» (2012). Новый Мьёльнир выглядит более древним, имеет больше деталей на рукоятке и напоминает тот, что использовался в оригинальном фильме «Тор» (2011). Руническая надпись на молоте Тора гласит: «Кто бы ни взял этот молот, если достоин, будет обладать силой Тора». Мастер по реквизиту Барри Гиббс (Barry Gibbs) и его команда из 18 техников сконструировали 140 единиц оружия за 10 недель. Всего же для фильма сконструировано более 600 единиц оружия. Для фильма было создано более 40 костюмов темных эльфов за 3,5 месяца работы. В фильме эльфы изображаются как благородный народ, поэтому были сконструированы специальные маски с заниженными прорезями для глаз — чтобы видеть через них, актерам приходится держать спину ровно, а голову слегка запрокидывать назад, что придает им сильный и гордый вид. Актерам Кристоферу Экклстону и Адевале Акинойе-Агбаже, исполняющим роли темных эльфов, пришлось разучить диалоги на эльфийском языке, созданном специально для фильма. Основные части фильма были отсняты в октябре — декабре 2012 года на английской студии Шеппертон, а также на основных площадках в Лондоне — Гринвиче, Уэмбли, Соборе Св. Павла, Боро Маркет, в лесах графства Суррей и Стоунхендже в Уилтшире. Сцены в мире темных эльфов создатели фильма снимали в Исландии, эта локация была выбрана из-за темных вулканических пейзажей. Прежде чем начать съемки с вертолета над исторической частью Гринвича, создатели фильма отправили 4000 писем, по 2000 с каждой стороны реки, чтобы предупредить местных жителей о возможном беспокойстве и объяснить, что будет происходить во время съёмок. После того, как съемочная группа наконец-то получила разрешение на съемку в районе Стоунхенджа, создатели фильма столкнулись с целым рядом правил и ограничений. Например, оказалось, что снимать там можно только в нерабочие часы, так что съемки проходили рано утром и всего по несколько часов в день. Так как Стоунхендж охраняется государством, по камням нельзя ходить и до них нельзя дотрагиваться, что существенно усложнило логистику съемок. Мадс Миккельсен рассматривался на роль Малекита, но покинул проект из-за несогласованности расписаний съемок с сериалом «Ганнибал» (2013) (Энтони Хопкинс, исполняющий роль Одина, ранее играл Ганнибала). В итоге роль досталась Кристоферу Экклстону. В конце 2011 года Пэтти Дженкинс была официально объявлена режиссером этого фильма. В декабре 2011-го она отказалась от проекта из-за «творческих разногласий». Натали Портман была так расстроена тем, что переговоры между Дженкинс и Marvel не состоялись, что даже хотела отказаться сниматься в сиквеле, но была вынуждена вернуться в связи с ее контрактом. Адевале Акинойе-Агбаже описал своего персонажа как «смесь быка и лавы». Во время съемок ему каждый день по три часа наносили макияж и 18 кг пластического грима. В конце сентября Джейми Александер получила травму на съемках в Лондоне: «Было около 5 часов утра, шел дождь, на улице было темно — я спускалась вниз по металлической лестнице и поскользнулась, в результате получила смещение диска в грудном отделе позвоночника и повреждения 11-ти позвонков. Также я выбила себе левое плечо… В итоге я не могла сниматься в течение месяца!» Фильм снимался в Англии под названием «Траур четверга». В скандинавской мифологии «четверг» был назван в честь Тора (в оригинале «Thursday» — Thor`s Day). Картер Бёруэлл должен был написать музыку к фильму, но покинул проект из-за творческих разногласий и был заменен композитором фильма «Железный человек 3» (2013) — Брайаном Тайлером. Режиссер Алан Тейлор был так впечатлен игрой Адевале Акинойе-Агбаже, что уговорил его сделать все трюки самостоятельно, потому что у каскадера не получалось двигаться таким же образом, как это делал он. Каменное существо, с которым сражается Тор, — это Кронан, пришелец, появляющийся в первом комиксе о Торе «Путешествие в тайну» («Journey Into Mystery» #83).