O personagem quase foi parar na televisão em 2000, pois chegaram a imaginar um telefilme tendo Tyler Mane (Tróia) como protagonista.
Nos anos 1990, Sam Raimi queria rodar Thor logo após dirigir Darkman - Vingança Sem Rosto (1990). Mais tarde, foi contratado para rodar Homem-Aranha (2002) e suas duas sequências, também baseados nos super-heróis da Marvel.
Em dezembro de 2004, foi a vez de David S. Goyer (Alma Perdida) negociar para assumir a direção e o roteiro de Thor.
Já em 2005, surgiu o nome de Matthew Vaughn, que planejava o filme como o encontro de Gladiador (2000) com a mitologia nórdica.
O roteirista Mark Protosevich (Eu Sou a Lenda) escreveu Thor como "a passagem do velho testamento nórdico para o novo testamento" em abril de 2006. Como existiam muitas cenas com efeitos especiais, o orçamento girava em torno dos US$ 300 milhões. Quando Matthew Vaughn aceitou dirigir o filme, modificou o roteiro para enxugá-lo e reduzir este valor para a metade.
Vaughn deixou o projeto em maio de 2008 para rodar Kick-Ass - Quebrando Tudo (2010).
Em setembro de 2008, D.J. Caruso (Controle Absoluto) esteve em negociações para assumir o posto de diretor.
Surpreendendo a mídia especializada, Kenneth Branagh assumiu a direção e se declarou um grande fã do personagem desde a infância.
Inicialmente, o alter ego de Thor, o dr. Donald Blake, estaria também presente no filme. Kevin McKidd (Percy Jackson e o Ladrão de Raios) esteve cotado para interpretar o personagem.
Diversos rumores colocaram Brad Pitt, Daniel Craig e Channing Tatum como possíveis intérpretes de Thor. Entretanto, apenas Charlie Hunnam, Tom Hiddleston, Alexander Skarsgard, Liam Hemsworth, Chris Hemsworth e Joel Kinnaman fizeram testes para o personagem. Chris Hemsworth foi o escolhido.
Com o objetivo de ganhar massa muscular, Chris Hemsworth frequentou a academia sistematicamente por seis meses e ainda fez uma dieta baseada em ovos, frango, sanduíche, vegetais, arroz preto, carne e bebidas protéicas.
Hemsworth já tinha experiência prévia com um martelo, já que trabalhou como empreiteiro na Austrália por alguns anos.
Os atores Jim Carrey e Josh Hartnett estiveram cotados para o personagem Loki, mas foi Tom Hiddleston, que havia feito teste para Thor, o escolhido.
Hiddleston declarou que seu Loki foi inspirado no príncipe Edmund, de Rei Lear. Na peça escrita por Shakespeare, Edmund é um príncipe invejoso que engana o pai para que seu irmão seja exilado.
Para se preparar para o papel, Tom Hiddleston fez uma rigorosa dieta antes e durante as filmagens. Sua intenção era que o personagem aparentasse estar faminto;
Antes de Thor, Hiddleston já havia trabalhado com Kenneth Branagh em Conspiração (2001), na série de TV Wallander (2008) e na peça teatral Ivanov.
Apesar de ter aparecido em filmes recentes com temas épicos, como Fúria de Titãs (2010) e Príncipe da Pérsia - As Areias do Tempo (2010), a atriz Gemma Arterton, embora tivesse o nome cotado, não foi escolhida para viver Jane Foster.
Escolhida para ser Jane Foster, a atriz Natalie Portman declarou que aceitou o papel "pela chance única de atuar em um filme de super-heróis dirigido por Kenneth Branagh".
Esta é a segunda adaptação de quadrinhos estrelada por Natalie Portman. A anterior foi V de Vingança (2005).
Jessica Biel e Diora Baird (Amigos, Amigos, Mulheres à Parte) estiveram cotadas para a personagem Sif, mas Jaimie Alexander acabou levando a melhor.
O ator Brian Blessed (O Hobbit: Uma Jornada Inesperada) chegou a ter seu nome cogitado para interpretar Odin, mas o personagem ficou com Anthony Hopkins.
Zachary Levi, de Vovó... Zona 2 e protagonista da série Chuck, foi convidado para interpretar Fandral, mas acabou recusando por conflitos de agenda.
Com a desistência dele, surgiu o nome de Dominic Cooper para o papel, mas Fandral ficou mesmo foi com Stuart Townsend.
Dias antes do início das filmagens Stuart Townsend brigou com os produtores e ficou fora do filme. Em seu lugar foi contratado Joshua Dallas (Abismo do Medo 2).
Na sua preparação para interpretar o guardião Heimdall, Idris Elba leu as revistas do Thor em que seu personagem participava.
Os fãs mais atentos poderão notar que a armadura de Thor é uma mistura da versão clássica do personagem com a utilizada na série Ultimate Marvel.
A produção chegou a contruir uma cidade inteira em Galisteo, no Novo México, para servir de locação para o filme.
O orçamento foi estimado em US$ 150 milhões.
Stan Lee, criador do personagem Thor, aparece em uma pequena ponta. Ele interpreta um motorista de uma pick-up que tenta arrancar o martelo Mjolnir de uma cratera.
No final de Homem de Ferro 2 (2010), após os créditos, uma cena mostra o Mjolnir na mesma cratera no Novo México.
O roteirista Walter Simonson, famoso pelas histórias de Thor, foi convidado para uma participação especial no filme, mas recusou a oferta.
Há uma cena após os créditos finais de Thor, fazendo uma ligação do filme com Os Vingadores (2012).
Nos créditos finais aparece ainda escrito "Thor will return in The Avengers", algo como "Thor retornará em Os Vingadores".