- Meryl Streep dans le rôle de Donna Sheridan, la mère célibataire de Sophie et propriétaire de la Villa Donna.
- Amanda Seyfried dans le rôle de Sophie Sheridan, la fille de Donna qui se marie et veut retrouver son père.
- Pierce Brosnan dans le rôle de Sam Carmichael, l'un des pères potentiels de Sophie et ancien amant de Donna.
- Colin Firth dans le rôle de Harry Bright, un autre des pères potentiels de Sophie et ancien amant de Donna.
- Stellan Skarsgård dans le rôle de Bill Anderson, le troisième des pères potentiels de Sophie et ancien amant de Donna.
- Dominic Cooper dans le rôle de Sky, le fiancé de Sophie.
- Julie Walters dans le rôle de Rosie Mulligan, la meilleure amie de Donna.
- Christine Baranski dans le rôle de Tanya Chesham-Leigh, l'autre meilleure amie de Donna.
- Phyllida Lloyd en tant que réalisatrice du film.