Diễn viên diễn xuất

• Neil Patrick Harris vai Patrick Winslow
• Jayma Mays vai Grace Winslow
• Hank Azaria vai Gargamel, kẻ thù của dân làng Xì Trum và là nhân vật phản diện của phim, người có âm mưu dùng các Xì Trum để làm phép biến chì thành vàng. Trong phim truyền hình, Gargamel muốn dùng các Xì Trum làm nguyên liệu trong một công thức để chế tạo ra vàng.[4] Để hóa trang thành Gargamel, Azaria đã mang các bộ phận giả như mũi, tai, răng, lông mày và tóc giả. Việc hóa trang này ban đầu mất đến 3 giờ để hoàn thành, nhưng sau này, đến khoảng giữa của quá trình làm phim thì chỉ còn mất 90 phút. Azaria đã hóa trang khoảng 50 lần và mất khoảng 130 giờ trên chiếc ghế hóa trang. Để cho việc hóa trang nhanh chóng hơn, ông đã tự cạo trọc đầu mình.[5]
• Sofía Vergara vai Odile, giám đốc một công ty mỹ phẩm Pháp, bà chủ của Patrick Winslow
• Tim Gunn vai Henri, Trợ lý điều hành một công ty mỹ phẩm lớn

Joan Rivers, Liz Smith, Tom Colicchio, Olivia Palermo và Michael Musto thực hiện những vai diễn nhỏ trong phim, vào buổi ra mắt sản phẩm hư cấu Anjelou.[5]

Diễn viên lồng tiếng

• Jonathan Winters vai Tí Vua
• Katy Perry vai Tí Cô Nương
• Fred Armisen vai Tí Cận
• Alan Cumming vai Tí Ngầu, một trong ba nhân vật chỉ có trong phim này. Tí Ngầu là một người Scotland, mặc một chiếc kilt, và có một bộ râu quai nón. Nhân vật này được cho là một "anh hùng hành động" của phim.[5]
• Anton Yelchin vai Tí Vụng Về. Yelchin bình luận về việc tính cách nhân vật của anh có thay đổi so với trong phim hoạt hình, "Tôi thấy mình rất gần gũi với Tí Vụng Về trong phim truyền hình, anh ta có giọng mũi miền Nam. Tôi xem lại những phim đó, sau thì Raja, Jordan và tôi nói về chuyện đó. Chúng tôi quyết định rằng Tí Vụng Về sẽ đơn giản hơn, đáng yêu hơn. Giọng của Tí Vụng Về cao hơn giọng nói thường của tôi – nó tràn đầy niềm vui, sự lạc quan, và sự nồng thắm dành cho đời. Tí Vụng Về không muốn làm mọi người rối tung lên — anh ta chỉ vụng về, và thực ra, anh ta cũng chán vụng về rồi.[5]
• George Lopez vai Tí Quạu. Để có phần "quạu" cho vai diễn của mình, Lopez không uống cà phê, giữ hơi thở không thơm tho và chọn thời điểm bận rộn nhất để đến xưởng phim.[5]
• Jeff Foxworthy vai Tí Thợ Cả
• Paul Reubens vai Tí Phá Phách
• Gary Basaraba vai Tí Lực Sĩ
• John Oliver vai Tí Điệu
• Kenan Thompson vai Tí Tham Ăn
• Adam Wylie vai Tí Nhút Nhát, Xì Trum thứ hai có mặt chỉ trong phim này[5]
• B. J. Novak vai Tí Làm Bánh
• Wolfgang Puck vai Tí Đầu Bếp
• John Kassir vai Tí Khùng, Xì Trum thứ ba có mặt chỉ trong phim này[5]
• Tom Kane vai Tí Tường Thuật
• Frank Welker vai Azrael, con mèo của Gargamel.[6] Welker đã lồng tiếng cho Hefty Smurf trong sêri hoạt hình năm 1981. Bốn con mèo đã thay nhau diễn vai của Azreal, và một số cảnh có sự can thiệp của máy tính bởi Tippett Studio.