A produção de Os Vingadores - The Avengers começou em 25 de abril de 2011, em Albuquerque, no Novo México. As filmagens ocorreram até quinta-feira, 28 de julho. Outras cenas foram feitas em Wilmington, em Ohio; Worthington, na Pensilvânia; Cleveland, em Ohio; e na cidade de Nova York. As filmagens duraram um total de 93 dias na primeira unidade e 47 dias na segunda unidade.

O cenário da Helicarrier Bridge (tipo de porta-aviões gigante e transparente que voa) foi construído em um estúdio de som em Albuquerque. Para fazer as cenas externas, os cineastas filmaram em uma pista do Albuquerque International Sunport. O Quinjet é outro veículo clássico da Marvel (jato que os Vingadores utilizam para entrar e sair do Helicarrier e para ir às batalhas) que aparece no filme.

Assim como no filme, foi Loki quem causou o problema na primeira edição da revista em quadrinhos de Os Vingadores, quase 50 anos atrás.

Elenco - Chris Hemsworth (Thor) achou que estar na locação era como um acampamento de verão, em que ninguém se conhece, mas todos ficam juntos e passam ótimos momentos.

Scarlett Johansson adorou interpretar a Viúva Negra. A atriz se diz uma fã da personagem.

O famoso grito de guerra da revista de quadrinhos 'Avante, Vingadores!' é um chamado para que os membros da equipe se unam e lutem com os inimigos que um único super-herói não é capaz de enfrentar sozinho. Durante a produção, Chris Evans (Capitão América) enviou o famoso comando por mensagem de texto para reunir os colegas de elenco, convidando-os para sair à noite após longa semana de trabalho.

Nascido e criado no Reino Unido, Tom Hiddleston (Loki) não teve contato com esportes americanos, mas tornou-se fã de futebol americano após assistir a um jogo da pré-temporada do Cleveland Browns na lateral do campo e a um jogo do Cleveland Indians.

Preparação - Com tantas sequências de lutas, os atores participaram de longos treinamentos com equipes especializadas. Treinaram diferentes estilos, tais como técnicas de luta medieval, wushu, kung fu e kali.

Para interpretar o Gavião Arqueiro, Jeremy Renner recebeu treinamento de arqueiros olímpicos. Ele aprendeu os aspectos básicos do arco e flecha, bem como as posições adequadas. Uma das tarefas mais difíceis foi manejar o equipamento com muita rapidez.

O diretor Joss Whedon solicitou ajuda de 25 integrantes do Batalhão da Polícia Militar de Ohio para estar presente na cena em que a cidade de Nova York é atacada por forças desconhecidas. As tropas foram trazidas para acrescentar um toque de autenticidade e dar realismo às cenas de combate.