شماری از بهترین‌های دنیای سینمایی کمپانی مارول در این فیلم بازی کرده‌اند. رابرت داونی جونیور که در فیلم نقش تونی استارک یا همان مرد آهنی معروف را دارد، رهبر انتقام‌جویان است که خودش را نابغه، میلیاردر، دخترباز و خیّر معرفی می‌کند و زرهی الکترومکانیکی برای خود طراحی کرده است. یکی از کارگردانان فیلم، جو روسو درباره این شخصیت گفته که «تونی حس می‌کند خطری دارد زمین را تهدید می‌کند، برای همین هرچه در توانش دارد، انجام می‌دهد تا زمین را امن نگه دارد.»کریس همسورث در نقش ثور یکی دیگر از انتقام‌جویان که ولیعهد آزگارد نیز هست، دیگر بازیگر مطرح این فیلم است. جو روسو گفته که «ثور در این فیلم بعد از اتفاقات فیلم ثور: رگنوراک دیده می‌شود و در آن فیلم اتفاقاتی می‌افتد که وی در موقعیتی جذاب قرار می‌گیرد و انگیزه‌های احساسی واقعی‌ای دارد.مارک روفالو هم نقش بروس بنر را ایفا می‌کند. یکی از انتقام‌جویان دانشمند و نابغه که وقتی ضربانش بالا می‌رود، تبدیل به غول سبزرنگ و بسیار قدرتمندی به اسم هالک می‌شود. در کنار او، کریس ایوانز را در نقش کاپیتان آمریکا می‌بینیم. رهبر فرقه جداشده از انتقام‌جویان و سرباز جنگ جهانی دوم که بدنش توسط تکنولوژی پیشرفته‌ای بهبود فیزیکی فوق‌العاده‌ای یافته است. او 70سال در یخ منجمد بود تا این‌که در دنیای مدرن بیدار شد. برادران روسو می‌گویند راجرز دیگر کاپیتان آمریکا نیست و وقتی در آخر فیلم جنگ داخلی سپرش را انداخت، یعنی هویت کاپیتان آمریکا را کنار گذاشت. جو روسو درباره او می‌گوید: «وظیفه او نسبت به خودش در تضاد با وظیفه‌اش نسبت به بقیه قرار می‌گیرد. او حالا درگیر این موضوع است که بدون هویت کاپیتان آمریکا و سپرش چه کسی است.»اسکارلت جوهانسون هم در این فیلم بازی کرده؛ در نقش ناتاشا رومانف و البته بیوه سیاه؛ جاسوس فوق حرفه‌ای و مأمور و انتقام‌جوی سابق شیلد. بندیکت کامبربچ در نقش دکتر استیون استرنج یک جراح مغز و اعصاب ماهر که در یک حادثه دست‌هایش آسیب دید و برای درمان به جایی رفت که با دنیای جادو آشنا شد و برای به دست آوردن مهارت‌های آنها آموزش دید و استاد جادوگری شد؛ دان چیدل در نقش جیمز رودس یا همان ماشین جنگ، افسر سابق نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا که ماشین جنگ را کنترل می‌کند و البته تام هالند در نقش پیتر پارکر یا همان مرد عنکبوتی دیگر بازیگران مطرح این فیلم هستند. چادویک بوزمن در نقش تی چالا یا پلنگ سیاه؛ پل بتانی در نقش ویژن؛ الیزابت اولسن در نقش واندا ماکسیمُف یا جادوگر سرخ؛ ادریس البا در نقش هایمدال؛ زویی سالدانا در نقش گامورا؛ وین دیزل در نقش گوروت؛ بردلی کوپر در نقش راکت راکون؛ گوئینت پالترو در نقش پپر پاتز، نامزد تونی استارک و مدیرعامل صنایع استارک؛ ساموئل ال. جکسون در نقش نیک فیوری، مدیر سابق شیلد که در ابتدا گروه انتقام‌جویان را تشکیل داد؛ بنیسیو دل تورو در نقش کلکتور؛ و جاش برولین در نقش تانوس دیگر ستارگانی هستند که گروهی بی‌همتا از محصولات و مخلوقات مارول را روی پرده جان بخشیده‌اند.