El actor Jeremy Renner, para poder dar vida a "Hawkeye", quien es un experto en tiro, tuvo que entrenarse durante varias semanas con arqueros olímpicos. Renner aceptó que esta actividad le costó mucho trabajo, porque tenía que controlar el pulso y dominar la trayectoria de la flecha que alcanza altas velocidades.
El helicarrier se construyó en un set cinematográfico localizado en Alburquerque. El lugar es similar a un portaviones, que tiene la peculiaridad de poder volar, característica que le dieron los encargados de hacer la cinta con tal de que el público viviera mayor emoción en las escenas que se llevaban a cabo en el aire.
Stan Lee, el creador de la saga, iba a tener dos cameos en la cinta. El primero cuando ve las noticias y dice: "¿Héroes en Nueva York?, tonterías". El segundo está en una escena eliminada del Capitán América, que aparece en una cafetería en donde también aparece Lee.
Para realizar una de las secuencias de acción más grandes de la cinta, el director Joss Whedon tuvo que echar mano de 25 integrantes del batallón 391 de la Policía Militar de Ohio, quienes hicieron más real el momento en que Nueva York iba a ser atacado por un grupo de fuerzas desconocidas gracias a algunas de sus armas, sobre todo por sus ametralladoras.
En el cómic, una de las frases más célebres de esta historia es "¡Vengadores, a reunirnos!", palabras que utilizó Chris Evans, quien dio vida al Capitán América, y que enviaba en mensajes de texto al resto de sus compañeros de rodaje para invitar a pasar una divertida noche en Alburquerque, después de una ardua semana de trabajo.
Para lograr la escena de la destrucción de una de las calles de "La Gran Manzana", los encargados de los efectos especiales tuvieron que colocar 28 equipos explosivos que fueron accionados al mismo tiempo en una calle, para así lograr un efecto de onda, muy similar al que produce un ataque aéreo
En Worthington, Pennsylvania, se rodó una de las secuencias de persecución más difíciles de realizar en toda la película, pues se llevó a cabo en lo que fue hace algunos años, un gran cultivo subterráneo de champiñones.
Se trataban de 241 kilómetros de túneles que se encontraban a 90 metros debajo de la tierra. El equipo de producción se tardó meses en adaptarlos para una escena protagonizada por Loki, Ojo de Halcón y la Agente María Hill; aunque fue mucho trabajo, al final valió la pena, porque es una de las mejores escenas de toda la película.
Para poder hacer un excelente desempeño en las escenas de combate, Chris Hemsworth, Tom Hiddleston, Scarlett Johansson y Jeremy Renner tomaron exhaustivas clases de distintos tipos de lucha, incluidas técnicas medievales, de Wushu, Kung Fu y Kali.
Originalmente, se había pensado en que apareciera la legión de los Skrull en la película, pero al no tener mucha conexión con Thanos, se decidió incluir mejor a los Chitauri y así hacer más real la historia.
Pese a que en los sets y lugares de filmación fueron zonas altamente protegidas y de acceso restringido, una fan logró burlar las normas de seguridad y se coló hasta uno de los lugares de filmación, llevando una pancarta que daba la bienvenida a la producción y solicitaba a los actores le firmaran una playera.
La gente de producción se puso en contacto con la chica, quien tuvo una visita guiada por los platós de rodaje, conoció al director Joss Whedon y también convivió por unos minutos con los protagonistas de la película.