《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。