Thor Odinson ist ein Ase aus der Welt Asgard und wurde einst von den Wikingern als Gott des Donners verehrt. Seine bevorzugte Waffe ist sein Kriegshammer Mjolnir, der im Kern eines sterbenden Sterns geschmiedet wurde, nach jedem Wurf in Thors Hand zurückkehrt und es ihm ermöglicht, Wirbelstürme zu erzeugen und zu fliegen. Aufgrund von Thors hitzköpfigem Handeln kommt es jedoch wiederholt zum Konflikt mit seinem Vater Odin.
Jane Foster ist eine Astrophysikerin, die gemeinsam mit ihrer Assistentin Darcy Lewis (Kat Dennings) und ihrem Mentor Erik Selvig (Stellan Skarsgård) Wetterphänomene in der Wüste von New Mexico untersucht, von denen sie glaubt, dass sie mit ihren Forschungen zusammenhängen.
Loki ist der Sohn von Laufey, dem König der Eisriesen aus Jotunheim, wurde jedoch als Kind von diesem ausgesetzt und von Odin gefunden, der ihn als eigenen Sohn annahm. Loki wuchs an der Seite Thors auf und glaubte lange Zeit, er sei dessen Bruder. Als Erwachsener ist Loki als Unheilstifter und Meister der Magie bekannt. Aus Neid auf seinen Bruder entsinnt er einen Plan, einen Konflikt zwischen Asgard und Jotunheim anzustiften, in der Hoffnung, in Odins Gunst aufzusteigen.
Odin ist der Vater von Thor und der König von Asgard. Seine bevorzugte Waffe ist sein Speer Gungnir. Im Jahr 965 n. Chr. bezwangen Odin und seine Asen die Frostriesen aus Jotunheim, und Odin schloss mit ihrem König Laufey einen Waffenstillstand. Dabei fand Odin Laufeys ausgesetzten Sohn, nahm ihn mit sich und zog ihn als seinen eigenen Sohn Loki an der Seite Thors auf.
Hogun, Fandral und Volstagg, genannt die „Tapferen Drei“ (im Original „Warriors Three“), sowie Lady Sif sind Thors beste Freunde und begleiten ihn und Loki, als diese sich nach Jotunheim begeben. Hogun wird aufgrund seines zumeist ernsten Gesichtsausdrucks auch „Hogun der Grimmige“ genannt. Seine bevorzugte Waffe ist ein Morgenstern. Fandral ist ein prahlerischer Frauenheld und wird beim Kampf gegen die Frostriesen in Jotunheim verwundet. Als Waffe verwendet er ein Schwert. Volstaggs große Leidenschaft ist das Essen, was sich in einer ausgeprägten Leibesfülle äußert. Er kämpft vorzugsweise mit einer Axt. Sif schließlich hat sich, für eine Asin eher unüblich, an der Seite ihrer männlichen Gefährten als Kriegerin bewährt und verwendet im Kampf einen Schild und verschiedene Stichwaffen, darunter einen Speer.
Heimdall ist der Wächter der Regenbogenbrücke Bifröst und steuert das Observatorium, von dem aus er die Asen über den Weltenbaum Yggdrasil in andere Welten und zurück transportieren kann, darunter Jotunheim und die Erde. Heimdalls wachsamem Blick entgeht fast nichts, einzig Loki ist in der Lage, sich vor ihm zu verbergen.
Laufey ist der König der Frostriesen von Jotunheim und Lokis leiblicher Vater. Im Jahre 965 n. Chr. führt er die Frostriesen zum Angriff auf die Erde, wo sie eine neue Eiszeit herbeiführen wollen, doch Odin und die Asen stellen sich ihnen in den Weg und bezwingen sie schließlich. Odin handelt mit Laufey einen Waffenstillstand aus und nimmt dessen ausgesetzten Sohn an sich.
Frigga ist Odins Frau und Thors Mutter. Sie unterstützt ihren Mann die meiste Zeit über, jedoch hinterfragt sie in einer Szene, die in der fertigen Schnittfassung des Films fehlt, dessen Entscheidung, Thor auf die Erde zu verbannen. Die Szene ist im Bonusmaterial der DVD- und Blu-ray-Fassung des Films enthalten.
Dr. Erik Selvig ist Astrophysiker wie Jane Foster und Mentor der jungen Wissenschaftlerin. Gemeinsam erlebten sie, wie Thor auf die Erde kam
Darcy Lewis ist Jane Fosters schrullige, aber geistesgegenwärtige Assistentin – eine studierte Politikwissenschaftlerin, die den ersten Kontakt der Menschheit mit einer außerirdischen Zivilisation hautnah miterlebte. Auch wenn sie nicht immer alles versteht, was um sie herum passiert, zögert sie nie, Klartext zu reden und alles zu kommentieren
