除了電影在世界各地拍攝，《全面啟動》也召集多位國際卡司，包括李奧納多狄卡皮歐、喬瑟夫高登拉維特、瑪莉詠柯蒂亞、艾倫佩姬、湯姆哈迪、湯姆貝林傑及迪利普勞，他們都是第一次跟克里斯多夫諾蘭合作；還有再度跟這位導演合作的渡邊謙、席尼墨菲及米高肯恩。

艾瑪湯瑪斯表示：「這部電影的角色很精彩，演員們也很欣賞這個題材，因此選角過程非常順利。我們感覺很幸運能夠找到這群一流的明星，我認為他們也受到其他演員的鼓舞，想要彼此合作並參與這部作品。」 當然，演員們也想跟克里斯多夫諾蘭合作。

艾倫佩姬表示：「我是克里斯多夫的死忠影迷，所以當我得知能夠參與演出這部電影時，我興奮極了。我讀了腳本感到震驚不已，我從未聽過這種故事，我完全沈浸於其中，而當我讀完時，我幾乎冒出冷汗。這部作品的概念原創又動人，並流露人們可感同深受的強烈情感張力。跟這樣一位傑出導演合作十分難得，他能夠創造整個世界觀，並以令人無法想像的方式，使觀眾目睹前所未見的故事。」

渡邊謙之前跟克里斯多夫諾蘭合作過《蝙蝠俠：開戰時刻》。他回想道：「克里斯多夫打來找我加入演出時，我輕鬆答應，因為跟以前合作愉快的導演再度合作是很棒的感覺。在我讀完腳本之後，我更是感到滿意，所以我的內心告訴我，我非演不可。」

席尼墨菲跟克里斯多夫諾蘭合作過《蝙蝠俠：開戰時刻》及《黑暗騎士》，他表示：「我讀了腳本後很興奮，然後克里斯多夫告訴我其他卡司，我就明白不可能有更棒的組合了。我認為克里斯多夫的電影既能運用心智又具有高度娛樂性，而這部作品符合這些特點。」

瑪莉詠柯蒂亞表示：「克里斯多夫的心靈非常豐富，他能成為頂尖的導演兼編劇有跡可循。就這部充滿想像力的電影而言，你需要一位值得信任的導演，這人能引導你，分享他的夢想。我百分之百信任他，他確實鼓舞了我，並在必要時給予我答案。」

李奧納多狄卡皮歐同樣表示：「克里斯多夫是才氣過人的導演，我也很高興能跟這些明星群密切合作，我們經常討論各自的角色及各個角色的經歷和彼此關係。克里斯多夫當然也很鼓勵我們這樣做，無論是主要角色或次要角色，他要每個演員投入自己的角色，並呈現出獨自的人物特質。」

克里斯多夫諾蘭表示：「看到這些演員們發展成一個關係緊密的團隊棒極了，正如同這個故事中的人物互相連結，也能使他們演出對手戲時更具深度。身為編劇，你會希望看到那種絕佳默契，不過直到現場親眼看到，你才會明白那些演員確實地詮釋出各自角色的獨特性及彼此之間的有趣關係，這點是任何電影的重要元素，尤其是犯罪電影，我認為這些演員確實傳達出那種默契。」

克里斯多夫諾蘭繼續表示：「這部電影找來各具不同特質的卡司團隊，每位演員都具有獨自的才華，大家一起完成這個特殊任務，因此只要有人演出失常，就會招致整部作品的失敗，所以每個人的演出都一定要成功。當然我們也會瞭解他們所經歷的一切，因為我們會跟他們共度這場旅程。」

除了以上主要角色，《全面啟動》還有三位重要的綠葉角色，全由影壇老將加持，他們在片中都演出父親形象的角色，分別是彼得普斯特李威，飾演羅勃的瀕死父親墨利斯費雪；湯姆貝林傑，飾演墨利斯的長期法律顧問兼羅勃的教父彼得布朗寧，事實上，湯姆貝林傑認為布朗寧如同羅勃的「代理父親」，並強調「羅勃甚至稱呼我的角色『彼得叔叔』，因為布朗寧陪伴他一輩子，可能比他的親生父親還花更多時間跟他像家人般相處。

米高肯恩則飾演柯柏的繼父邁爾斯，他在柯柏的青少年人生中扮演關鍵角色。米高肯恩表示：「邁爾斯是教導柯柏關於夢境分享的教授，柯柏最後不聽他的勸告，而他也不太認同柯柏利用這種知識在工作中，然而他仍然一直關心他和掛念他。」

即使違反意願，邁爾斯仍把柯柏介紹給他最優秀的學生亞莉雅德。米高肯恩表示：「邁爾斯想幫助柯柏回家，因此以這個角色的敏銳判斷力，他根據經驗猜測亞莉雅德是這項工作的最佳人選，也希望獲致最好的結果。」

米高肯恩指出，《全面啟動》是他跟克里斯多夫諾蘭合作的第四部電影，之前兩人就合作過《蝙蝠俠：開戰時刻》、《頂尖對決》及《黑暗騎士》。克里斯多夫諾蘭表示：「拍電影時能請來米高肯恩總是令人心滿意足，他很熱心地接下這個角色，我們很高興拍片現場有他的身影。」

艾瑪湯瑪斯微笑地表示：「如米高所說，他是我們的幸運符，我現在感到我們拍電影絕對少不了他。」