- Robin Williams dans le rôle de Rodney Copperbottom, un jeune robot optimiste qui rêve de devenir inventeur.
- Ewan McGregor dans le rôle de Fender Pinwheeler, le meilleur ami de Rodney et un mécanicien qualifié.
- Halle Berry dans le rôle de Cappy, la belle et populaire petite amie robot de l'idole de Rodney, Bigweld.
- Mel Brooks dans le rôle de Bigweld, le fondateur âgé et excentrique de Bigweld Industries, la plus grande société de robotique de Robot City.
- Greg Kinnear dans le rôle de Ratchet, le PDG cruel et impitoyable de Bigweld Industries qui envisage de conquérir le monde.
- Amanda Bynes dans le rôle de Piper Pinwheeler, la sœur cadette de Fender et chanteuse talentueuse.
- Drew Carey dans le rôle de Crank Casey, réparateur de robots et mentor de Rodney.
- Jennifer Coolidge dans le rôle de tante Fanny, la tante excentrique de Rodney et propriétaire d'une boutique de souvenirs.
- Stanley Tucci dans le rôle de Herb Copperbottom, le père aimant mais surprotecteur de Rodney.
- Dianne Wiest dans le rôle de Lydia Copperbottom, la mère attentionnée et solidaire de Rodney.
- Chris Wedge dans le rôle du robot majordome de Bigweld, M. Gasket.