Originalmente, Loki no iba a aparecer en Thor: Un mundo oscuro. Sin embargo, al darse cuenta de su popularidad en Los Vengadores, el guion se reescribió para darle un espacio en la historia.
Thor: Un mundo oscuro es el último filme escrito por Don Payne (Thor). Payne murió de cáncer en el cerebro antes del estreno de la cinta.
Para evitar usar una peluca como en el filme original, Chris Hemsworth se dejó crecer el cabello por más de un año para interpretar a Thor en la secuela.
Para interpretar a sus personajes, Christopher Eccleston (Malekith) y Adewale Akinnuoye-Agbaje (Kurse) tuvieron que aprender algunos de sus diálogos en un lenguaje creado específicamente para los villanos de la cinta.
Gracias a su compromiso con la serie de televisión Once Upon a Time, Josh Dallas no pudo regresar a la secuela en su papel de Fandral. Como reemplazo, los directores eligieron al actor Zachary Levi (Chuck), quien curiosamente fue su primera opción para interpretar al personaje en un inicio.
Durante las grabaciones en Londres, la actriz Jaimie Alexander, quien interpreta a Sif, sufrió un accidente que la dejó un mes fuera de la filmación de la secuela.
El maquillaje del villano Malekith, interpretado por Christopher Eccleston, tardaba seis horas en aplicarse.
En varias entrevistas, Alan Taylor ha declarado lo insatisfecho que se siente con el resultado final de Thor: Un mundo oscuro. Según sus declaraciones, Marvel intervino demasiado durante la post-producción del filme hasta convertirlo en algo muy diferente a lo que se había planeado originalmente, algo que él espera "nunca vuelva a ocurrir".
En un principio, la directora Patty Jenkins iba a ser la encargada de dirigir Thor: Un mundo oscuro, algo que Natalie Portman apoyaba completamente. Cuando Jenkins salió del proyecto por "diferencias creativas", Portman intentó abandonar la secuela pero le fue imposible gracias al contrato que había firmado. Eventualmente, Patty Jenkins terminó dirigiendo una película de superhéroes años después: La Mujer Maravilla para DC y Warner Bros.
Mads Mikkelsen (La caza) fue considerado para interpretar al villano Malekith. No obstante, sus compromisos con la serie de televisión Hannibal le impidieron tomar el papel. Años después, Mikkelsen se uniría al Universo Marvel en la cinta Doctor Strange, donde interpreta al antagonista Kaecilius.
El director de Thor, Kenneth Branagh, tuvo la oferta de regresar a dirigir la secuela. Sin embargo, Branagh rechazó el ofrecimiento por el poco tiempo que tenía para preparar el filme. En su lugar, Branagh decidió dirigir Código Sombra: Jack Ryan.
Idris Elba (The Dark Tower), quien interpreta a Heimdall, confesó que no estuvo muy contento de filmar la secuela, ya que los reshoots fueron muy cansados y largos.
Tim Miller, mejor conocido por su trabajo en Deadpool, dirigió el prólogo de Thor: Un mundo oscuro.
En la escena post-créditos, Jane y Thor finalmente se besan. No obstante, Natalie Portman no estaba disponible durante la grabación de dicha escena, por lo que la esposa de Chris Hemsworth, Elsa Pataky, (Rápidos y Furiosos 5) tomó su lugar.