- Robin Williams nel ruolo di Rodney Copperbottom, un giovane robot ottimista che sogna di diventare un inventore.
- Ewan McGregor nel ruolo di Fender Pinwheeler, il migliore amico di Rodney e un abile meccanico.
- Halle Berry nel ruolo di Cappy, la bellissima e popolare fidanzata robot dell'idolo di Rodney, Bigweld.
- Mel Brooks nel ruolo di Bigweld, l'anziano ed eccentrico fondatore della Bigweld Industries, la più grande società di robotica di Robot City.
- Greg Kinnear nel ruolo di Ratchet, il crudele e spietato CEO di Bigweld Industries che progetta di conquistare il mondo.
- Amanda Bynes nel ruolo di Piper Pinwheeler, la sorella minore di Fender e una cantante di talento.
- Drew Carey nel ruolo di Crank Casey, un riparatore di robot e mentore di Rodney.
- Jennifer Coolidge nel ruolo di zia Fanny, l'eccentrica zia di Rodney e proprietaria di un negozio di souvenir.
- Stanley Tucci nel ruolo di Herb Copperbottom, il padre amorevole ma iperprotettivo di Rodney.
- Dianne Wiest nel ruolo di Lydia Copperbottom, la madre premurosa e solidale di Rodney.
- Chris Wedge nel ruolo del maggiordomo robot di Bigweld, Mr. Gasket.