前作までの配役で変わっていないのはM役のジュディ・デンチのみ。シリーズ従来のレギュラーキャストであるマネーペニーとQは今作には登場しない。フィリックス・ライターはシリーズ初の黒人となった[10]。ボンドガールの候補者は、アンジェリーナ・ジョリー、シャーリーズ・セロンや、オドレイ・トトゥ（フランス）らが候補にあがったが、2006年2月にエヴァ・グリーン（フランス）に決定した[11]。

ボンド候補者になった俳優は、アレックス・オロックリン、ゴラン・ヴィシュニック、ヘンリー・カヴィル、ユアン・スチュワート、ジュリアン・マクマホン、ダグレイ・スコット、ジェームズ・ピュアフォイ、ヒュー・ジャックマン[12][13][14]、クライヴ・オーウェン[15]、ヨアン・グリフィズ、クリスチャン・ベール、エリック・バナ[16]、コリン・ファレル[17][18]、ジュード・ロウ[19]、オーランド・ブルーム、ジョシュ・ブローリン、ベン・アフレックなど。三代目ボンドを演じたロジャー・ムーアの長男ジョフリーも有力な候補者の一人だった[20]。当初、ユアン・マクレガーがボンド役にオファーされたが、タイプキャスト（同じような役柄を繰り返し演じることでイメージが固定されること）を恐れて断ったため、ダニエル・クレイグにオファーがされた。前作まで主役を演じたピアース・ブロスナンも意欲を示していた[21][22][23][24]が、作品中のジェームズ・ボンドの年齢設定が若く起用が見送られた[25][26]。

他のキャストではジェシカ・アルバがボンド・ガールに立候補し、ベン・キングスレー[27]、ジョン・トラボルタ、アラン・リックマンらが悪役を熱望した。