Tony Stark (Universo cinematográfico de Marvel)
Jon Favreau, quien fue seleccionado para dirigir la primera película de Iron Man, sintió que el pasado de Downey lo convirtió en una opción adecuada para el papel, y que el actor podría hacer de Stark un "imbécil simpático", pero también representa un auténtico viaje emocional una vez que se ganó a la audiencia. En última instancia, sin embargo, Downey terminó siendo la elección que el estudio hizo para el primer personaje en su extenso universo cinematográfico. Favreau también se sintió atraído por Downey por su actuación en Kiss Kiss Bang Bang, con Downey conversando frecuentemente con el director de esa película, Shane Black, sobre el guion y el diálogo en Iron Man.
Iron Man 3
La semana siguiente, Guy Pearce entró en conversaciones para interpretar a Aldrich Killian, un personaje que aparece en el arco argumental de cómics "Extremis". La estrella china Andy Lau se involucró en negociaciones para unirse a la película, como un científico chino y viejo amigo de Stark que llega a ayudarlo. Lau más adelante rechazó el papel, y Wang Xueqi fue elegido en su lugar. Jessica Chastain entró en negociaciones para una papel en la película, pero se retiró debido a problemas de agenda. En mayo, Rebecca Hall fue elegida en su lugar, y su papel fue descrito como "una científica que tiene un rol fundamental en la creación de una nanotecnología conocida como Extremis." En las siguientes semanas, James Badge Dale fue elegido como Eric Savin, Ashley Hamilton como Potencia de Fuego, y Favreau regresó a repetir su papel como Happy Hogan de las dos primeras películas. Stéphanie Szostak y William Sadler también se incorporaron al elenco, este último como el presidente de los Estados Unidos. A pesar de primeros informes erróneos de que Cobie Smulders repetiría su papel como Maria Hill de "The Avengers" en la película, Smulders escribió en su página de Twitter verificada que no era el caso.