- Meryl Streep als Donna Sheridan, de alleenstaande moeder van Sophie en eigenaresse van Villa Donna.
- Amanda Seyfried als Sophie Sheridan, Donna's dochter die gaat trouwen en haar vader wil vinden.
- Pierce Brosnan als Sam Carmichael, een van Sophie's potentiële vaders en een voormalige minnaar van Donna.
- Colin Firth als Harry Bright, nog een van Sophie's potentiële vaders en een voormalige minnaar van Donna.
- Stellan Skarsgård als Bill Anderson, de derde van Sophie's potentiële vaders en een voormalige minnaar van Donna.
- Dominic Cooper als Sky, Sophie's verloofde.
- Julie Walters als Rosie Mulligan, Donna's beste vriendin.
- Christine Baranski als Tanya Chesham-Leigh, Donna's andere beste vriendin.
- Phyllida Lloyd als regisseur van de film.