Sau những sự kiện trong Stand by Me Doraemon (2014), Tsumabuki Satoshi tiếp tục đảm nhận vai Nobita lớn trong phần phim 3D thứ hai. Giọng nói bà nội Nobita được chuyển giao cho Miyamoto Nobuko. Theo Yagi Ryūichi, quá trình thu âm hai nhân vật này diễn ra khoảng cuối tháng 4 năm 2019. Trước khi thu âm, Tsumabuki nói rằng muốn nói một cách chậm rãi và thoải mái. Mặc dù khối lượng công việc tăng gần 10 lần so với phần phim trước đó khiến anh thấy áp lực nhưng vẫn thấy rất vui. Yamazaki nói rằng Nobita lớn nắm vai trò then chốt câu chuyện nên đòi hỏi ông phải kĩ hơn trong khâu giám sát diễn xuất giọng nói nhân vật.[13] Ngày 21 tháng 10, ê kíp sản xuất công bố thêm hai diễn viên lồng tiếng mới cho bộ phim là Bakarhythm (giọng nhân viên bán hàng đến từ tương lai) và Hatori Shin'ichi (giọng "Sợi dây hoán đổi").[14]