Casting thumb|350px|Obsada serialu podczas PaleyFest 2014 Clark Gregg jako Phil Coulson, Ming-Na Wen jako Melindy May, Elizabeth Henstridge jako Jemma Simmons, Iain De Caestecker jako Leo Fitz i Brett Dalton jako Grant Ward pojawią się ponownie w głównych rolach. W lipcu 2014 roku poinformowano, że Nick Blood dołączył do nich jako Lance Hunter. W sierpniu 2014 roku Adrianne Palicki została obsadzona w roli drugoplanowej jako Bobbie Morse, która awansowała do głównej obsady od odcinka Wstrząsy wtórne.
W lipcu 2014 roku do obsady dołączyli: Reed Diamond jako Daniela Whitehalla i Simon Kassianides jako Sunil Bakshi oraz poinformowano, że Patton Oswalt powróci w rolach braci Koenig, a w sierpniu 2014 roku Henry Simmons jako Alphonso „Mack” MacKenzie i Kyle MacLachlan jako Calvin Johnson. W tym samym miesiącu poinformowano, że Adrian Pasdar powróci jako Glenn Talbot. We wrześniu potwierdzono, że z poprzedniego sezonu powrócą: B.J. Britt jako Antoine Triplett i Ruth Negga jako Raina. W październiku do obsady dołączyła Maya Stojan jako Kara Palamas / Agentka 33. W styczniu 2015 roku poinformowano, że Edward James Olmos wcieli się w postać Roberta Gonzalesa, a w lutym tego samego, że Luke Mitchell zagra Lincolna Campbella.