Natalie Portman reapareceu no MCU, apesar de ter dado entrevistas anteriores apontando que não interpretaria mais essa sua personagem, a astrofísica Jane Foster. Porém, a ex-namorada de Thor ganha um cameo pequeno, enquanto Rocket tenta roubar o Éter que estava absorvido pelo seu corpo. O mais curioso, no entanto, é que supostamente Portman não retornou para o papel e essa é apenas uma cena deletada de Thor: O Mundo Sombrio. Ela apenas gravou uma fala que pode ser ouvida ao longe, supõe-se. Mesmo assim, a atriz participou da premiére e esteve nos créditos.
Rene Russo, intérprete de Frigga, mãe de Thor, nunca teve grandes participações na franquia. O Mundo Sombrio, por sinal, não é uma das empreitadas mais fracas do MCU à toa, matando a personagem sem qualquer espécie de impacto estando associado à cena. Por isso todo mundo ficou surpreso com o cuidado com que a personagem é explorada em Ultimato, tendo a sua melhor cena na franquia ao reencontrar a versão futura do seu Thor. O roteiro até mesmo tem espaço para engrandecer a personagem e sugerir mitologia para ela, acerca de um passo místico que permite-a ser capaz de entender o que está acontecendo a Thor com muita sabedoria e considerável cautela.
Enquanto Thor está contando para o resto dos Vingadores o que ele sabe sobre o Éter, a Joia da Realidade, o personagem cita nominalmente os Elfos Negros, justamente os vilões de O Mundo Sombrio. Ele também conta, brevemente, sobre a batalha entre o seu avô e esses seres malignos.
Uma das piadas de Thor: O Mundo Sombrio é repetida em Ultimato: a transformação de Loki em Capitão América, imitando o seu jeito “certinho” de ser. Parece que essa é uma das fantasias mais queridas pelo Deus da Trapaça, porque a usaria várias vezes com intuitos cômicos.
Uma grande quantidade de personagens cruciais a O Soldado Invernal recebem uma ponta em Ultimato, como Brock Rumlow, Jasper Sitwell e Alexander Pierce. Os Irmãos Russo dirigiram esse longa, ou seja, nada mais óbvio do que auto-homenagearem os eventos que acontecem na obra, a qual apresenta uma grande reviravolta para o status quo da SHIELD, então desmantelada após os mocinhos perceberem a infiltração da vilanesca HIDRA em seu interior. Esses personagens todos citados aparecem na viagem à Nova Iorque de 2012 como sendo meros agentes da organização, enquanto os protagonistas, porém, mal sabiam que eles eram, de fato, uns nazistas maquiavélicos.