Emily Blunt fue la primera elección para el papel de Natasha Romanoff, sin embargo problemas de horario con otra producciones impidieron su participación. Scarlett Johansson ansiaba tanto el rol que se había teñido el cabello de rojo antes de que le confirmaran que efectivamente iba a participar. Johansson tuvo que entrenar seis meses para estar en forma para su papel y también practicó el acento ruso. Su nombre alias de Natalie Rushman está inspirado en el cómic.
Evan Rachel Wood fue la primera elección de Christopher Nolan para interpretar a a Ariadne, pero lo rechazó. Nolan pensó en Emily Blunt, Rachel McAdams y Emma Roberts, pero al final eligió a Ellen Page.
Antes de que Maggie Gyllenhaal fuese la elegida para reemplazar a Katie Holmes en el papel de Rachel Dawes, se rumoreo que Rachel McAdams o Emily Blunt iban a interpretar el papel.