- Robin Williams als Rodney Copperbottom, een optimistische jonge robot die ervan droomt uitvinder te worden.
- Ewan McGregor als Fender Pinwheeler, Rodney's beste vriend en een ervaren monteur.
- Halle Berry als Cappy, de mooie en populaire robotvriendin van Rodney's idool Bigweld.
- Mel Brooks als Bigweld, de oudere en excentrieke oprichter van Bigweld Industries, het grootste roboticabedrijf in Robot City.
- Greg Kinnear als Ratchet, de wrede en meedogenloze CEO van Bigweld Industries die van plan is de wereld over te nemen.
- Amanda Bynes als Piper Pinwheeler, Fender's jongere zus en een getalenteerde zangeres.
- Drew Carey als Crank Casey, een robotreparateur en Rodney's mentor.
- Jennifer Coolidge als tante Fanny, Rodney's excentrieke tante en eigenaar van een souvenirwinkel.
- Stanley Tucci als Herb Copperbottom, Rodney's liefhebbende maar overbezorgde vader.
- Dianne Wiest als Lydia Copperbottom, Rodney's zorgzame en ondersteunende moeder.
- Chris Wedge als Bigwelds robotbutler, Mr. Gasket.