Jim Carrey, người nổi tiếng với những vai hài, là lựa chọn đầu tiên cho vai Joel Barish
Joel Barish (Jim Carrey), một người ít nói, rụt rè và yêu thích vẽ, viết. Đau khổ vì bị người yêu chia tay, Joel quyết định tới công ty Lacuna xóa ký ức về cô để rồi phát hiện ra rằng mình không thể rời bỏ những hình ảnh đó và phải làm mọi cách trong giấc mơ để giữ lại nó. Carrey, một ngôi sao phim hài nổi tiếng của Hollywood, là diễn viên đầu tiên được Charlie Kaufman nhắm cho vai Joel cũng như cho dàn diễn viên của Eternal Sunshine.[2].[3] Bản thân Carrey cũng rất yêu thích cốt truyện của Eternal Sunshine, anh coi bộ phim này cùng với The Truman Show là hai tác phẩm thú vị nhất anh đã từng tham gia.[4]
Clementine Kruczynski (Kate Winslet), cô gái bán sách với tính tình sôi nổi, bốc đồng, thay đổi tâm lý nhanh như thay đổi màu tóc. Tuy đã xóa sạch ký ức về Joel, người yêu cũ của cô, nhưng Clementine lại vẫn nhanh chóng có tình cảm với Joel khi hai người gặp nhau ở Motauk. Ngay từ khi viết kịch bản Kaufman đã muốn xây dựng một hình ảnh Clementine không quá xinh đẹp nhưng toát lên vẻ cá tính, sôi nổi.[3] Sau nhiều thương thảo, Kate Winslet đã được chọn vào vai này tháng 9 năm 2002, trước đó cô từng là ngôi sao của Titanic và cũng thành công với nhiều bộ phim nghệ thuật kinh phí thấp.[5][6] Nhà sản xuất Anthony Bregman của Eternal Sunshine đã nhận xét rằng Kate Winslet là nữ diễn viên "rất Clementine", cả hai đều là những cô gái mạnh mẽ, giàu cảm xúc và khó đoán trước. Jim Carrey cũng bày tỏ vui mừng vì được làm việc với một diễn viên thông minh và biết cách làm những người xung quanh diễn xuất tốt hơn như Winslet.[4][7]
Howard Mierzwiak (Tom Wilkinson), bác sĩ phụ trách công ty Lacuna chuyên xóa ký ức theo yêu cầu. Tuy coi công việc của mình là có ích và nghĩ rằng việc xóa ký ức không ảnh hưởng gì tới cuộc sống bệnh nhân, cuối cùng chính Howard lại phải đối mặt với mặt trái trong liệu pháp của ông khi Mary, người từng có quan hệ tình cảm với ông phát hiện ra rằng mình cũng từng xóa ký ức. Tom Wilkinson là người cuối cùng được mời vào dàn diễn viên chính của Eternal Sunshine vào tháng 12 năm 2002, trước đó ông chủ yếu tham gia các bộ phim sản xuất ở Anh.[8]
Mary (Kirsten Dunst), thư ký công ty Lacuna. Mary từng có quan hệ tình cảm với bác sĩ Mierzwiak, người đã có vợ và con, để rồi hai người quyết định rằng cô nên xóa toàn bộ ký ức về ông, một việc tốt cho cuộc sống cả hai người. Mặc dù đã xóa ký ức, cuối cùng Mary cũng lại nhanh chóng có tình cảm với bác sĩ Howard để rồi phát hiện ra sự thật về liệu pháp xóa ký ức. Sau hai thành công liên tiếp trong vai Mary Jane Watson của Spider-Man phần 1 và 2, Dunst là ngôi sao thứ ba được mời vào dàn diễn viên của Eternal Sunshine vào tháng 10 năm 2002.[9][10] Kirsten Dunst tỏ ra rất hào hứng với kịch bản của Kaufman vì cô luôn yêu thích những bộ phim tình cảm đời thường pha chút hài hước như Annie Hall hay When Harry Met Sally....[11]
Patrick (Elijah Wood), nhân viên kĩ thuật phụ trách xóa ký ức của công ty Lacuna. Patrick tự nhận mình là người nhạt nhẽo, không được con gái ưa thích. Anh cố gắng tận dụng những dấu vết ký ức về Joel trong Clementine để làm quen với cô nhưng rồi cuối cùng anh cũng không thể chiếm được tình cảm của Clementine dù đã thực hiện y hệt những hành động lãng mạn Joel đã làm với Clementine. Wood được chọn thủ vai Patrick chỉ vài tháng trước khi phim được khởi quay. Eternal Sunshine là bộ phim đầu tiên Wood tham gia sau khi hoàn thành vai chính trong bộ ba phim bom tấn Chúa tể của những chiếc nhẫn (The Lord of the Rings).[12] Wood nói rằng anh muốn thử nghiệm những vai diễn nhỏ hơn trong các phim nghệ thuật và Eternal Sunshine cũng là cơ hội rất tốt để anh làm việc với đạo diễn video clip ca nhạc anh ưa thích là Michel Gondry.[13]
Stan (Mark Ruffalo), người cùng Patrick chuyên phụ trách liệu pháp xóa ký ức. Stan có tình cảm với Mary từ lâu nhưng anh không thể làm gì để giúp Mary không yêu bác sĩ Howard một lần nữa dù đã xóa ký ức. Với Ruffalo thì Eternal Sunshine là một trải nghiệm khác biệt so với những bộ phim khác anh đã từng tham gia như XX/XY hay Windtalkers (2002).[14]
Carrie (Jane Adams) và Rob (David Cross), vợ chồng bạn thân của Joel. Chính Carrie và Rob đã mời Joel tới bữa tiệc trên bãi biển Montauk nơi anh lần đầu gặp Clementine, cũng chính hai người đã thông báo cho Joel về việc Clementine đã tới công ty Lacuna để xóa toàn bộ ký ức về anh.
Hollish (Deirdre O'Connell), vợ của bác sĩ Howard. Bà hoàn toàn bất lực trước quan hệ tình cảm của chồng với Mary tái diễn kể cả sau khi Mary đã xóa ký ức.
