Va interpretar a Gwen Stacy, l'interés amorós del personatge del títol (interpretat per Andrew Garfield). Stone va tornar a un color de cabell blond per al paper, havent-lo tintat de vermell anteriorment. Va dir a The Vancouver Sun que es va sentir responsable d'educar-se sobre Spider-Man i va admetre que no havia llegit els còmics: "La meva experiència va ser amb les pel·lícules de Sam Raimi... Sempre vaig assumir que Mary Jane era el seu primer amor", afegint que només estava familiarizada amb la pel·lícula d'acció-comèdia 21 Jump Street després de signar la pel·lícula de Marc Webb de 2012 The Amazing Spider-Man, un reinici de la sèrie de Sam Raimi Spider-Man.
Una barreja de fedores i vestits zoot