• Shailene Woodley trong vai Hazel Grace Lancaster, một cô gái 16 tuổi vật lộn với căn bệnh ung thư, được cha mẹ mình thúc giục tham gia một Hội tương trợ của những người có cùng cảnh ngộ, nơi cô vô tình gặp và phải lòng một anh chàng có tên là Augustus Waters. Boone diễn tả buổi thử vai: "Có hơn 250 cô gái đọc đoạn hội thoại, nhưng chỉ đến khi Shailene đứng trước máy quay thì tôi mới được lần đầu tiên thật sự nhìn thấy Hazel".[7]
  • Lily Kenna trong vai Hazel Grace Lancaster lúc còn nhỏ[8]
• Ansel Elgort trong vai Augustus Waters, một chàng trai ở độ tuổi thiếu niên đang phải trải qua căn bệnh u xương ác tính, khiến anh mất đi một bên chân của mình. Anh gặp được Hazel Grace Lancaster trong một buổi gặp mặt tại Hội tương trợ của các bệnh nhân ung thư.[9]
• Nat Wolff trong vai Isaac, anh bạn mù thân thiết của Augustus.[10][11]
• Laura Dern trong vai Frannie Lancaster, mẹ ruột của Hazel.[10]
• Sam Trammell trong vai Michael Lancaster, cha ruột của Hazel.[12]
• Willem Dafoe trong vai Peter van Houten[13]
• Lotte Verbeek trong vai Lidewij Vliegenthart
• Mike Birbiglia trong vai Patrick[14]

John Green cũng có góp mặt trong bộ phim này nhưng cảnh phim của anh đã bị cắt. Anh xuất hiện trong vai người cha của một cô bé thắc mắc về ống thở của Hazel tại sân bay.[15] Anh chia sẻ rằng "Họ cắt đoạn đó vì không cần thiết đến bộ phim-tôi đóng rất tệ trong cảnh đó."[16]