《雷霆特工队》的确认演员阵容包括弗洛伦丝·皮尤（Florence Pugh）饰演叶莲娜·贝洛娃，塞巴斯蒂安·斯坦（Sebastian Stan）饰演巴基·巴恩斯，大卫·哈伯（David Harbour）饰演红卫士，怀亚特·罗素（Wyatt Russell）饰演美国特工，汉娜·约翰-卡门饰演幽灵，奥尔加·柯瑞兰克（Olga Kurylenko）饰演模仿大师，以及朱莉娅·路易斯-德利法斯（Julia Louis-Dreyfus）饰演瓦伦蒂娜·阿莱格拉·德·方丹。杰拉尔丁·维斯瓦纳坦（Geraldine Viswanathan）取代了阿约·埃德贝里（Ayo Edebiri）饰演一个现在被认为是鸣鸟（Songbird）的未公开角色，而路易斯·普尔曼（Lewis Pullman）则接替史蒂夫·元（Steve Yeun）饰演哨兵（The Sentry），据说他们两人都是因为档期问题而离开。