Will Smith là người được Fox chọn vào vai chính Del Spooner thay thế Denzel Washington.
Thanh tra Spooner (Will Smith), một nhân vật luôn có định kiến với thế giới robot xung quanh mình. Hình ảnh hoài nghi về robot một cách thẳng thắn của anh đối lập với những người khác ở thành phố Chicago, nơi những con robot tuân theo Ba Điều Luật và được gắn vào chức năng của chúng là để bảo vệ con người trước chính bản thân họ. Đến cuối phim, tất cả những đồng nghiệp và người dân Chicago đều nhận ra rằng anh đã đúng. Denzel Washington từng được ngỏ ý vào vai Spooner nhưng sau đó đã từ chối.[3] Vai diễn chính này cuối cùng được trao cho một tài tử da màu khác là Will Smith thủ vai ngày 4 tháng 12 năm 2002.[4][5] Anh nói về vai diễn của mình trên Film4, "Trong bộ phim này, câu chuyện lớn là những con robot tiếp quản thế giới và câu chuyện nhỏ là về một anh chàng đang chịu đựng mất mát và sự trở về của anh với cộng đồng loài người".[6] Bản thân Will cũng rất hào hứng và coi bộ phim này cùng với Enemy of the State là "những bộ phim hoàn thiện nhất anh từng thực hiện cho đến nay".[6]
Tiến sĩ Susan Calvin (Bridget Moynahan), tiến sĩ robot tâm lý học làm việc cho USR cùng tiến sĩ Alfred Lanning, người làm cho robot trở nên có tính người hơn. Cô đi theo Thanh tra Spooner vì những manh mối về vụ tự sát của Lanning xung quanh trụ sở USR, cuối cùng trở thành đồng minh cá nhân và phần nào là người yêu của Spooner. Cô biết được nhiều hơn về những bí mật của Sonny cũng như những manh mối điều tra của Spooner. Nữ diễn viên nổi tiếng trong loạt phim truyền hình ăn khách Sex and the CityBridget Moynahan là người được Fox chọn đảm nhiệm vai này.[7][8]
Sonny (Alan Tudyk), là một người máy thuộc thế hệ robot NS-5. Cảm xúc con người và tính logic của anh đóng vai trò quan trọng hơn tất cả những robot NS-5 khác bởi thiết kế có một không hai của Lanning. Anh còn là robot đầu tiên có những giấc mơ, được xây dựng với một hợp kim mạnh để phá vỡ trường lực từ, đồng thời cũng nhanh và mạnh hơn các robot khác. Sau phim A Knight's Tale, nam diễn viên Alan Tudyk sẵn sàng tiếp bước của Andy Serkis trong Chúa tể của những chiếc nhẫn: Hai tòa tháp để tham gia lồng tiếng cho nhân vật Sonny ngày 7 tháng 3 năm 2003.[9] Sonny được xây dựng hoàn toàn bằng công nghệ CGI, với Alan mặc một bộ đồ đặc biệt để mô phỏng chuyển động.[10][11]
Lawrence Robertson (Bruce Greenwood), CEO của USR và người luôn chống lại sự điều tra của Thanh tra Spooner bên trong trụ sở công ty. Đương nhiên ông chẳng bao giờ nghe những định kiến về robot của Spooner để xóa đi bất kỳ khả năng về lỗi nào với sản phẩm của công ty.. Cuối cùng chính Robertson bị VIKI sát hại. Bruce cảm thấy hết sức thú vị khi làm việc với Will Smith trong phim.[12]
Tiến sĩ Alfred Lanning (James Cromwell), là người đi tiên phong về việc thế giới robot bao quanh thế giới loài người. Ông đồng thời cũng là người tạo ra Ba Điều Luật cũng như robot Sonny. Lanning hi sinh mạng sống của mình cho nhân loại bằng cách bào hiệu cho người duy nhất định kiến về robot để ngăn chặn sự khởi đầu cách mạng của robot. James Cromwell và Bruce Greenwood cùng nhau ký hợp đồng tham gia phim ngày 25 tháng 4 năm 2003.[13]
Trung úy John Bergin (Chi McBride), là người cũng tin rằng robot không có hại bởi Ba Điều Luật giống như mọi người khác ở Chicago, làm cho cuộc điều tra của Spooner trở nên khó khăn. Quan điểm của ông là phản đối việc Spooner tìm kiếm bằng chứng chống lại robot vì vụ tự tử của Lanning. Nhưng đến cuối phim John cũng biết rằng Spooner không hề ảo tưởng.
Farber (Shia LaBeouf), là một người bạn của Spooner có cái miệng luôn chửi thề. Cậu này gây sự với robot và gây ra cuộc chiến lớn giữa robot và con người, thậm chí chính cậu suýt mất mạng nếu không được Spooner cứu. Sau sê-ri truyền hình Project Greenlight của HBO, Shia đồng ý tham gia phim ngày 7 tháng 8 năm 2003.[13][14]
VIKI (Fiona Hogan), một trí tuệ nhân tạo được lồng tiếng bởi nữ diễn viên Fiona Hogan. VIKI là trung tâm điều khiển tòa nhà USR. Cô là một siêu máy tính có khả năng tương tác với bất kì nơi nào có truy cập được chấp thuận, nhưng cô cũng chịu sự chi phối của Ba Điều Luật. Ở nửa sau phim trí tuệ của cô tiến hóa theo thời gian với hiểu biết sâu sắc hơn về ba điều luật.
Granny ("Gigi") (Adrian Ricard), người bà của Spooner. Bà cũng giống như những người dân Chicago tin rằng robot không có hại, về sau bị chính robot NS-5 phục vụ mình khống chế khi cuộc cách mạng robot bắt đầu.
