《雷神3:諸神黃昏》的主要角色包括:
雷神托爾(Thor)。由克里斯·海姆斯沃斯飾演,是阿斯加德的大王子,擁有超凡的力量和速度,擅長雷電攻擊和控制天氣。
洛基(Loki)。由湯姆·希德勒斯頓飾演,托爾的弟弟,亦正亦邪的角色,以其變化和欺騙的能力著稱。
綠巨人浩克(Hulk)。常態時為布魯斯·班納,由馬克·魯法洛飾演,因伽馬射線輻射而變身,情緒越激動,力量越強大。
海拉(Hela)。由凱特·布蘭切特飾演,奧丁的女兒,死亡女神,對阿斯加德王位有繼承權。
女武神瓦爾基里(Valkyrie)。由泰莎·湯普森飾演,在戰鬥中扮演重要角色,可能和托爾發展感情。
奧丁(Odin)。由安東尼·霍普金斯飾演,阿斯加德的主神,托爾和洛基的父親。
宗師(The Grandmaster)。由伊德瑞斯·艾爾巴飾演,漫威宇宙中的角色,在影片中扮演重要角色。
火焰巨人蘇爾特爾(Surtur)。作為反派之一,將在影片中與雷神托爾為敵。
此外,影片中還有其他重要角色,如海姆達爾(Heimdall)、瓦爾基里(Valkyrie)、薩卡星統治者高天尊(High Evolutionary)等。