A Marvel confirmou os principais nomes do elenco do novo filme, em uma das maiores reuniões de astros do MCU já realizada. Dos filmes anteriores de Vingadores retornam: Chris Hemsworth como Thor, Anthony Mackie como Capitão América, Sebastian Stan como Soldado Invernal, Paul Rudd como Homem-Formiga, Winston Duke como M'Baku e Letitia Wright como Pantera Negra. Tom Hiddleston também retorna como Loki.

De personagens apresentados pós-Vingadores: Ultimato - nas fases 4 e 5 do MCU - temos Simu Liu como Shang-Chi, Danny Ramirez como Falcão, todo o novo Quarteto Fantástico (Pedro Pascal como Sr. Fantástico, Vanessa Kirby como Mulher Invisível, Joseph Quinn como Tocha Humana e Ebon Moss-Bachrach como o Coisa) e quase todo o elenco de Thunderbolts*. São eles: Florence Pugh como Yelena, Wyatt Russell como Agente Americano, David Harbour como Guardião Vermelho, Hanah John-Kamen como Fantasma e Lewis Pullman como Bob, o Sentinela.

Em uma live de anúncio do elenco, houve a grande surpresa do filme até aqui: o retorno dos X-Men clássicos dos filmes da antiga Fox, incluindo  Patrick Stewart como Professor X, Ian McKellen como Magneto, James Marsden como Ciclope, Alan Cumming como Noturno, Kelsey Grammer como Fera, Rebecca Romijn como Mística e, apresentado em Deadpool & Wolverine, Channing Tatum como Gambit.

Vingadores: Doomsday estreia em 18 de dezembro de 2026 no Brasil, preparando o terreno para Vingadores: Guerras Secretas em 2027, a conclusão da Saga do Multiverso que ocupa todos os filmes da Marvel desde Vingadores: Ultimato.