• Amy Poehler as Joy (Vui Vẻ)
• Phyllis Smith as Sadness (Buồn Bã)
• Richard Kind as Bing Bong
• Lewis Black as Anger (Giận Dữ)
• Bill Hader as Fear (Sợ Hãi)
• Mindy Kaling as Disgust (Chảnh Chọe)
• Kaitlyn Dias as Riley Andersen
• Diane Lane as Jill Andersen, Riley's Mother
• Kyle MacLachlan as Bill Andersen, Riley's Father
• Paula Poundstone as Forgetter Paula
• Bobby Moynihan as Forgetter Bobby
• Paula Pell as Dream Director and Mother's Anger
• Dave Goelz as Subconscious Guard Frank
• Frank Oz as Subconscious Guard Dave
• Josh Cooley as Jangles the Clown
• Flea as Mind Worker Cop Jake
• John Ratzenberger as Fritz
• Carlos Alazraqui as Father's Fear and Brazilian Helicopter Pilot
• Lori Alan as Mother's Sadness
• Rashida Jones as Cool Girl's emotions

Các diễn viên lồng tiếng cho các nhân vật cảm xúc, Amy Poehler, Lewis Black, Mindy Kaling, Bill Hader và Phyllis Smith được công bố lần đầu vào tháng 8 năm 2013.[18] Với việc ra mắt trailer đầu tiên của phim vào tháng 12 năm 2014, việc Diane Lane và Kyle MacLachlan được lựa chọn vào vai bố mẹ của Riley cũng được tiết lộ.[19]

Bill Hader, người lồng tiếng cho Fear, là một fan lớn của Pixar. Nhằm phục vụ cho một cảnh liên quan đến chương trình truyền hình trực tiếp trong bộ phim, các nhà làm phim đã liên hệ với Bill Hader về việc đến thăm trường quay chương trình Saturday Night Live. Để trả ơn, họ đồng ý với yêu cầu đến tham quan Pixar trong một tuần của Hader. Trong chuyến tham quan này, Bill Hader có tham gia vào bộ phận cốt truyện và sau đó nhận được đề nghị lồng tiếng cho nhân vật Fear.[20][21] Ông đồng thời cũng được nhờ liên lạc với một đồng nghiệp ở chương trình Saturday Night Live là Amy Poehler, người mà đoàn làm phim nghĩ rằng là hoàn hảo để thể hiện vai Joy. Họ nói: "Liệu anh có thể gọi cho Army? Chúng tôi không muốn gọi cho cô ấy và khiến cô ấy nghĩ rằng chúng tôi là những kẻ lập dị." Bill Hader gọi cho Army, giải thích câu chuyện và nhấn mạnh rằng vai của cô là động lực chính của cả bộ phim.[21] Mindy Kaling, diễn viên thể hiện Disgust, cho biết cô đã khóc khi đọc kịch bản của bộ phim: "Tôi nghĩ rằng thật tuyệt khi các bạn làm một bộ phim để nói với những đứa trẻ rằng việc lớn lên sẽ khó khăn và không có vấn đề khi cảm thấy buồn vì nó."[10]

Smith được lựa chọn bởi Rivera khi ông đang xem Bad Teacher và thấy cô trong một cảnh ăn trưa. Ông gọi điện cho Docter và nói "Tôi nghĩ chúng ta đã tìm thấy Sadness."[22] Do bộ phim có sự tham gia của nhiều diễn viên trong chương trình Saturday Night Live, các nhà làm phim dành một tuần để nghiên cứu các phân cảnh trong chương trình này.[20]

Richard Kind, người từng tham gia A Bug's Life, Toy Story 3, Cars, và Cars 2, lồng tiếng cho nhân vật Bing Bong.