在《钢铁人2》中，以下主要演员回归饰演他们的角色：
- 小罗伯特·唐尼（Robert Downey Jr.）饰演托尼·斯塔克/钢铁侠。
- 格温妮丝·帕特洛（Gwyneth Paltrow）饰演维吉尼亚·“佩珀”·波茨。
- 唐·钱德尔（Don Cheadle）饰演詹姆斯·“罗迪”·罗德斯/战争机器。
- 斯嘉丽·约翰逊（Scarlett Johansson）饰演娜塔莎·罗曼诺夫/黑寡妇。
- 米基·洛克（Mickey Rourke）饰演伊凡·万科。
- 山姆·洛克威尔（Sam Rockwell）饰演贾斯汀·汉默。
- 乔恩·费儒（Jon Favreau）饰演哈皮·霍根。
- 塞缪尔·杰克逊（Samuel L. Jackson）饰演尼克·弗瑞。
这些演员在电影中的表现对于电影的成功至关重要，他们的角色也为漫威电影宇宙的进一步发展奠定了基础。