 | Nicolas Cage als Dr. Tenma (voice) |
 | Madeline Carroll als Widget (voice) |
 | Freddie Highmore als Astro Boy (voice) |
 | Kristen Bell als Cora (voice) |
 | Donald Sutherland als General Stone (voice) |
 | Bill Nighy als Dr. Elefun (voice) |
 | Eugene Levy als Orrin (voice) |
 | Sterling Beaumon als Sludge (voice) |
 | Nathan Lane als Ham Egg (voice) |
 | Samuel L. Jackson als Zog (voice) |
 | Charlize Theron als Narrator |
 | David Alan Grier als Mr. Squirt / Math Cowboy / Boxer Robot |
 | Alan Tudyk als Mr. Squeegee / Scrapheap Head / Stinger Two |
 | Newell Alexander als General Heckler (voice) |
 | Elle Fanning als Grace (voice) |
 | Pilar Flynn als Cora's Mom (voice) |
 | Dee Bradley Baker als Trashcan (voice) |
 | Moisés Arias als Zane (voice) |
 | Ryan Stiles als Mr. Moustachio/Burning Robot (voice) |
 | Matt Lucas als Sparx (voice) |
| John Ottman | Music |
| Timothy Harris | Screenplay |
| David Bowers | Director |
| Osamu Tezuka | Author |
| Ken Tsumura | Executive Producer |
| Pilar Flynn | Line Producer |
| Pablo Calvillo | Layout |
| Earl A. Hibbert | Layout |
| John Dillon | VFX Artist |
