Dàn diễn viên xuất hiện trong buổi chiếu ra mắt bộ phim, tháng 7 năm 2010: Từ trái sang phải: Cillian Murphy, Marion Cotillard, Joseph Gordon-Levitt, Ellen Page, Ken Watanabe, Michael Caine, và Leonardo DiCaprio
Leonardo DiCaprio vai Dom Cobb, một kẻ trộm chuyên nghiệp chuyên đánh cắp bí mật của người khác bằng cách xâm nhập giấc mơ của họ. DiCaprio là nam diễn viên đầu tiên thử diễn cho phim.[18] Nolan đã gặp diễn viên nhiều lần, nhưng chưa thuyết phục được anh tham gia phim nào của mình trước Inception.[19] Theo trang The Hollywood Reporter, cả Brad Pitt và Will Smith cũng được mời diễn vai này.[20]
Joseph Gordon-Levitt vai Arthur, đồng nghiệp của Cobb, có vai trò nghiên cứu các nhiệm vụ. Gordon-Levitt xem Arthur là một nhà xuất bản đối với các ý tưởng của Cobb, "anh ta nói rằng, 'Được, anh có ý tưởng rồi, bây giờ tôi sẽ tạo ra những chi tiết nho nhỏ để anh làm nhiệm vụ của mình'".[21] Nam diễn viên tự thực hiện mọi cảnh quay mạo hiểm của anh, trừ một cảnh và cho biết "công đoạn chuẩn bị thực sự là một thử thách và phải có sự chuẩn bị này để cảnh quay trông thật".[22]James Franco từng làm việc với Christopher Nolan về việc diễn vai Arthur, tuy nhiên anh đã không tham gia vì không thể sắp xếp thời gian.
Ellen Page vai Ariadne, một sinh viên kiến trúc được tuyển mộ để thiết kế khung cảnh trong giấc mơ, được mô tả như các mê cung. Trong Thần thoại Hy Lạp, Ariadne – công chúa con gái của Vua Minos, đã giúp người anh hùng Theseus vượt qua mê cung giam giữ Minotaur bằng cách trao cho ông một thanh gươm và một cuộn dây. Nolan cho biết ông chọn Page bởi vì cô là "sự kết hợp hoàn hảo giữa sự tươi trẻ, khéo léo, và trưởng thành hơn tuổi".[23] Page nói, nhân vật của cô cũng giống như người đại diện cho khán giả, vì "cô ấy cũng đang học hỏi những khái niệm này và thực chất đang hỗ trợ khán giả tìm hiểu về việc chia sẻ giấc mơ".[24] Christopher Nolan chọn Evan Rachel Wood cho vai diễn này đầu tiên, nhưng nữ diễn viên từ chối. Nolan đã cân nhắc thử vai Emily Blunt, Rachel McAdams, Emma Roberts, Jessy Schram, và Carey Mulligan trước khi Ellen Page được mời và chấp nhận vai diễn.
Tom Hardy vai Eames, đồng sự của Cobb, có khả năng ăn nói sắc sảo. Eames có thể ăn cắp danh tính một người để giả dạng người đó trong thế giới giấc mơ, nhằm thao túng Fischer. Hardy mô tả nhân vật của anh là "một nhà ngoại giao đứng tuổi mang phong cách Graham Greene; kiểu như hào nhoáng, biến chất, đáng khinh – một người tình kiểu Shakespeare kết hợp với một người từ Lực lượng đặc biệt Anh quốc", mặc trang phục "tiền cũ rẻ tiền".[25]
Ken Watanabe vai Saito, doanh nhân người Nhật thuê Cobb thực hiện nhiệm vụ này. Nolan nghĩ đến Watanabe khi viết nhân vật này, vì ông muốn tiếp tục cộng tác với Watanabe sau Batman Begins.[26] Inception là bộ phim nói tiếng Anh bối cảnh hiện đại đầu tiên của Nolan mà Watanabe tham gia. Watanabe nỗ lực làm nổi bật một nét tính cách của Saito ở mỗi tầng giấc mơ khác nhau – "Lúc đầu trong lâu đài của tôi, tôi thể hiện một vài cảm xúc ẩn giấu cho chu kỳ. Nó huyền diệu, mạnh mẽ và rồi đến giấc mơ thứ nhất. Và đến phần hai, trong khách sạn cũ, tôi thể hiện sắc sảo, thông minh và trấn tĩnh hơn và đó là một quá trình khác nhằm tạo nên nhân vật trong bất kỳ bộ phim nào".[27]
Dileep Rao vai Yusuf. Rao mô tả Yusuf là "nhà dược học avant-garde, chuyên cung cấp tài nguyên cho người như Cobb, những người muốn làm việc này mà không bị giám sát trong khi không đăng ký và không được cho phép". Đồng sản xuất Jordan Goldberg nói vai một người bào chế thuốc "đặc biệt khó bởi bì anh không muốn ông ta trông giống như một kẻ buôn bán ma túy", và nói rằng Rao có được vai diễn vì "vui tính, thú vị và thông minh thấy rõ".[28]
Cillian Murphy vai Robert Michael Fischer, người thừa kế đế chế kinh doanh và là mục tiêu của cả nhóm.[26] Murphy nói anh đã thể hiện Fischer là "một đứa trẻ nóng nảy rất cần bố mình quan tâm, anh có mọi thứ vật chất mà anh muốn, nhưng lại thiếu được quan tâm về cảm xúc". Nam diễn viên cũng nghiên cứu các con của Rupert Murdoch, và nói thêm rằng "việc sống trong cái bóng của một người quá quyền lực sẽ gây ra ảnh hưởng rất lớn".[29]
Tom Berenger vai Peter Browning, bố đỡ đầu của Robert Fischer và là đồng gám đốc điều hành tại công ty của gia đình Fischer.[3] Berenger cho biết, Browning cũng giống như "người bố thay thế" đối với Robert, và nhấn mạnh, "Browning đã ở bên cạnh [Robert] cả cuộc đời anh và có thể đã dành nhiều thời gian chất lượng cho anh hơn cả bố anh".[28]
Marion Cotillard vai Mal Cobb, người vợ đã qua đời của Dom. Cô là hiện thân cho tội lỗi của Dom về nguyên do thực sự cái chết của cô. Dom không thể nào điều khiển những hình chiếu của cô theo ý mình, gây khó khăn cho anh trong vai trò người trích xuất.[19] Nolan mô tả Mal giống như "bản chất của femme fatale," và DiCaprio khen ngợi vai diễn của Cotillard: "Cô ấy có thể vừa mạnh mẽ, vừa dễ tổn thương, vừa đầy hứa hẹn, vừa đầy tuyệt vọng cùng một lúc, và điều này thật hoàn hảo cho những mâu thuẫn trong nhân vật của cô".[30]
Pete Postlethwaite vai Maurice Fischer, người bố đang hấp hối của Robert Fischer và là người sáng lập ra cả một đế chế kinh doanh. Bộ phim là một trong ba phim cuối cùng mà Postlethwaite tham gia trước khi ông qua đời đầu năm 2011.
Michael Caine vai giáo sư Stephen Miles, người hướng dẫn và cũng là bố vợ của Cobb,[28] đồng thời là giáo sư của Adriadne và ông đã gợi ý cả nhóm mời cô tham gia.[31]
Lukas Haas vai Nash, một kiến trúc sư được Cobb thuê và đã phản bội nhóm, sau này thay thế bởi Ariadne.[32]
Talulah Riley vai người phụ nữ mà Eames giả trang trong giấc mơ. Riley rất thích vai diễn, mặc dù chỉ là một vai nhỏ – "Tôi mặc trang phục đẹp, làm quen với đàn ông ở quầy bar, rồi sau đó xô ông ta ra trong thang máy. Thật tuyệt khi làm điều gì đó người lớn một chút. Thường thì tôi diễn vai nữ sinh Anh 15 tuổi".[33]
