James Franco devait à l'origine tenir le rôle d'Arthur, mais en raison d'un conflit d'horaire, il a été remplacé par Joseph Gordon-Levitt.Christopher Nolan retrouve de nombreux acteurs avec lesquels il a déjà travaillé :Michael Caine pour la quatrième fois après Batman Begins, Le Prestige et The Dark Knight.Cillian Murphy pour la troisième fois, après avoir tenu le rôle du Dr Jonathan Crane alias l'Épouvantail dans Batman Begins et The Dark Knight.Russ Fega après Memento et Le Prestige.Ken Watanabe et Andrew Pleavin, cinq ans après Batman Begins.