Jackson jako Nick Fury, dyrektor T.A.R.C.Z.Y.
Swoje role z poprzedniej części powtórzyli: Paul Bettany jako J.A.R.V.I.S., komputerowa sztuczna inteligencja stworzona przez Starka, która zarządza jego posiadłością i zbrojami; Jon Favreau jako Harold „Happy” Hogan, osobisty ochroniarz i szofer Starka; Clark Gregg jako Phil Coulson, agent T.A.R.C.Z.Y. oraz Leslie Bibb jako Christine Everhat, reporterka Vanity Fair.
W filmie ponadto wystąpili: John Slattery jako Howard Stark, ojciec Tony’ego; Garry Shandling jako senator Stern; Jewgienij Łazariew jako Anton Vanko, ojciec Ivana; Olivia Munn jako Chess Roberts, reporterka na Stark Expo oraz Kate Mara jako doręczycielka pisma na przesłuchanie Starka.
W rolach cameo pojawili się: twórca komiksów Marvela, Stan Lee jako on sam (często mylono to wcielenie z Larrym Kingiem) oraz Christiane Amanpour, Bill O’Reilly, Adam Goldstein, Elon Musk i Larry Ellison, którzy grają siebie samych. W filmie wystąpił również syn reżysera, Max Favreau, który zagrał chłopca uratowanego przez Starka. W 2017 roku ujawniono, że ten chłopiec to Peter Parker.