- Robin Williams como Rodney Copperbottom, un joven robot optimista que sueña con convertirse en inventor.
- Ewan McGregor como Fender Pinwheeler, el mejor amigo de Rodney y un hábil mecánico.
- Halle Berry como Cappy, la bella y popular novia robot del ídolo de Rodney, Bigweld.
- Mel Brooks como Bigweld, el anciano y excéntrico fundador de Bigweld Industries, la corporación de robótica más grande de Robot City.
- Greg Kinnear como Ratchet, el cruel y despiadado director ejecutivo de Bigweld Industries que planea conquistar el mundo.
- Amanda Bynes como Piper Pinwheeler, la hermana menor de Fender y una cantante talentosa.
- Drew Carey como Crank Casey, un reparador de robots y mentor de Rodney.
- Jennifer Coolidge como la tía Fanny, la excéntrica tía de Rodney y propietaria de una tienda de souvenirs.
- Stanley Tucci como Herb Copperbottom, el amoroso pero sobreprotector padre de Rodney.
- Dianne Wiest como Lydia Copperbottom, la cariñosa y solidaria madre de Rodney.
- Chris Wedge como el robot mayordomo de Bigweld, el Sr. Gasket.