デル・トロとグスタフソンはキャスティングに際し、アカデミー賞受賞者や歴代のデル・トロ監督作品に出演経験のある俳優を中心に起用している[14]。2020年1月31日にロン・パールマン、ティルダ・スウィントン、ユアン・マクレガー、クリストフ・ヴァルツ、デヴィッド・ブラッドリーの出演が発表された[26]。当初はダニエル・ラドクリフ、トム・ウェイツ、クリストファー・ウォーケンの起用が検討されており、ウェイツはゼペット役、ウォーケンはキツネ役の候補だったことが報じられているが、この他にドナルド・サザーランドもキツネ役の候補に挙がっていた[1]。このうち、ラドクリフは製作総指揮として企画に参加している[1]。また、デル・トロは『ヘルボーイ』『ヘルボーイ/ゴールデン・アーミー』に起用したジョン・ハートをゼペット役として起用するつもりだったが、製作が始まる前にハートが死去したため実現しなかった[27]。そのため、ゼペット役には『ハリー・ポッター』でハートと共演経験があり、デル・トロが手掛けた『ストレイン 沈黙のエクリプス』『トロールハンターズ（英語版）』への出演経験もあるデヴィッド・ブラッドリーが起用された。彼はゼペット役について「感情のローラーコースター」のようであり、幼少期に触れた『ピノッキオの冒険』よりも『リア王』のイメージに近いと語っている[14]。パールマンはマンジャフォーコ役に起用されたが、デル・トロがマンジャフォーコを脚本から削除して新たにヴォルペ伯爵を作り出してヴァルツが起用されたため、パールマンは市長役を演じることになった[23]。

8月19日にはグレゴリー・マン、ケイト・ブランシェット、ティム・ブレイク・ネルソン、フィン・ウルフハード、ジョン・タトゥーロ、バーン・ゴーマンの出演が発表された[28]。