1.威尔·史密斯：侦探戴尔·史普纳
好莱坞有一个“习惯”，常常会夸张地说某某角色非某某演员莫属，《我，机器人》的制作班底也不避嫌，口径一致地称威尔·史密斯是最适合出演片中侦探史普纳一角的不二人选，就像制片约翰·戴维斯说的那样：“真的签下他时感觉就像是中了乐透彩(美国一种彩票)一样。因为电影里的人的故事和机器人的故事一样引人入胜，非常重要，感谢有威尔
·史密斯加入。” 威尔·史密斯目前是好莱坞如日中天的黑人男明星，而帮助他确立自己影坛地位的影片中就有多部科幻片，正因如此，影迷们对他的这部新作才特别期待。
事实上，威尔·史密斯和导演艾里克斯·普罗亚斯的合作并不是一拍即合的，一开始他曾拒绝出演本片，因为史密斯觉得自己起初“还不能弄明白”，但后来被导演说服，甚至还担任起影片制片人一职。
谈到影片《我，机器人》的深刻主题，威尔·史密斯说：“这部影片当中最吸引我的理念是：机器人并没有问题，技术也不是问题，人类逻辑思维能力的局限性才是最大的问题。因此，到头来我们才发现，人类最大的敌人不是别人，正是人类自己。”
影片的制作班底决意让威尔·史密斯所扮演的角色截然不同于其他同类型的影片。侦探史普纳始终留恋过去简单的生活方式，比如爱听老歌，喜欢老式的穿着。他讨厌高科技的东西，却又不得不生活在机器人的时代里。由他来调查这桩谋杀案再合适不过，因为他从不迷信所谓的机器人安全法则。这次《我，机器人》的演出机会，给威尔·史密斯带来了全新的挑战：“作为一个演员，要真的在动作片中大展身手其实并不那么容易。对我来说，饰演一个处境有点艰难的角色是很有趣的，因为我演了太多轻轻松松就拯救世界的英雄人物。我很少有机会诠释人物深层的情绪和创伤，而我喜欢去探索挫折的角色心理面的转折。所以接演本片是我的重要转折。”
威尔·史密斯还表示自己很高兴能有机会和数字虚拟的角色对戏：“这是一个革命性的表演过程，”他说，“作为一个演员，和另一个演起对手戏，当然容易抓到情绪和喜剧感，因为眼睛可以直视着对方，但现在却是先固定看着一个点(比方说，对着一个网球)，想像有一个人，然后自己演自己那部分。”
威尔·史密斯表示《我，机器人》既是一部高科技的动作片，其中随处可见的特技令人眼花缭乱。此外，它又是一部浪漫的剧情片，同时也是一部充满悬念的侦探片。他称赞导演普罗亚斯在影片不同类型的叙事方面游刃有余：“侦探片和动作片的叙事风格会相互冲突，因为达到高潮的模式各不相同。而普罗亚斯打破了类型片固有的规则，创造了一种全新而又独树一帜的风格。”
同样，威尔·史密斯的表现让导演普罗亚斯赞不绝口：“他给人物注入了难以置信的人性和幽默，我认为这是他扮演过的角色的共性，他为影片打下了感情的基础。”
为了增加影片的卖点，《我，机器人》中将有一段威尔·史密斯的裸浴镜头，而这据称是史密斯自己要求设计这样一场戏。因为在好莱坞大片《特洛伊》中著名影星布拉德·皮特脱掉了衣服，那么到了他拍《我，机器人》时也要这么做。到底出来的效果会是怎样，观众只有到影片中去亲眼领略一下这位“黑马王子”的“身材秀”。
2.里吉特·莫纳翰：苏珊·卡尔文博士
苏珊和史普纳的关系是影片的焦点所在。为威尔·史密斯寻找一位对手，同时又是可信的搭档，的确不是一件容易的事。美丽大方的布兰杰特·莫纳翰十分出色地塑造出人物的多面性，在冰冷的外表之下不时闪露出人性的火花。苏珊·卡尔文博士是一位理性而又固执的机器人心理学家，一直力图保持冷静的逻辑思维。她喜欢机器人更甚于人类，热衷于研究和制造机器人，并且相信机器人可以超越人类，进而改造人类。但随着故事的展开，她的理性不免在“现实”中碰壁，并且与史普纳发生了冲突。
3.阿兰·图迪克：机器人桑尼
影片机器人中的“领衔主演”索尼实际上是由真人演员阿兰·图迪克饰演。我们在屏幕上看到的机器人表演，采用了真人和电脑结合的技术——绿屏、传感器、动作捕捉和完美的电脑合成。
这位与众不同的机器人桑尼具备智能组装系统，但最厉害的是它具备了人类的基本素质，居然能够表现出人类的情绪，天真、热情，甚至还非常有幽默感。桑尼和史普纳之间的表情互动是本片的另一大看点。图迪克对自己角色的理解是：“桑尼就像一个小孩子，天真幼稚而又乐观向上。它的身上隐藏了许多秘密，而它自己并没有意识到自己的与众不同。制造它的最终目的直到影片结尾处才真相大白。”
“这是我最棒的角色，尽管屏幕上没人看得到我本人，不过角色在电影中的经历对我来说非常刺激。”图迪克对这个虚幻的角色非常喜欢，在影片正式开拍之前一个月就来到了外景地温哥华，苦练机器人的形体、语言和举止。此外，他还进行了跆拳道、力量和平衡训练。曾主演过《舞厅王子》的澳大利亚著名舞蹈演员保罗·墨丘里奥也被邀请来为所有的机器人设计动作，但图迪克自始至终也没有按照他的要求去做，因为桑尼是新一代的机器人，本该就与众不同。
4.布鲁斯·格林伍德：USR公司董事长
布鲁斯·格林伍德在影片中扮演USR公司的董事长劳伦斯·罗伯逊一角，正是他建立了一个庞大的商用机器人帝国。在影片中，最新型的NS-5型家用机器人即将下线。“我们将为人类奉献上一个无与伦比的科技产品，价格肯定是公道的，”劳伦斯此时的言语剩下的就只有冷酷了。“新一代的机器人智能化程度远比上一代要高得多。这种本质的飞跃只有工业革命可以比拟，但我们所需的时间要短得多。”
“片中最重要的主题之一就是人工智能与自主智能之间的边缘关系。人工智能何时能够转为自主智能。假如计算机或者机器人都有了思维，那还有什么人工智能可言？”
5.詹姆斯·克伦威尔：机器人之父
老牌影星詹姆斯·克伦威尔出演了“机器人之父”阿尔弗莱德·朗宁博士。他是USR公司发家的关键性人物，影片的故事就是围绕着他的离奇死亡展开的。在发现了机器人有可能危害人类时，朗宁博士制作了自己的全息摄影，以便于死后可以为史普纳探长提供线索。
“这部影片提出了很多发人深省的问题。比如人类发明机器人，其道德意义何在？所带来的后果会是怎样，而人类将如何应对？”詹姆斯说，“这部影片开始是一部典型的侦探故事，到后来就开始探讨这些问题的真正所在。”
