Akcja PIĘKNEGO UMYSŁU rozpoczyna się w momencie przybycia Johna Nasha na Uniwersytet Princeton. Uczelnia cieszy się opinią najlepszego instytutu studiów matematycznych i przyciąga najtęższe umysły w tej dziedzinie. Nash, nie do końca przystosowany do akademickich układów towarzyskich, zaprzyjaźnia się w końcu z dwójką studentów - Solem i Benderem. Od tego czasu obaj będą towarzyszyć Nashowi w jego pracy naukowej, między innymi w Wheeler Lab na MIT.
Do roli Sola zatrudniono Adama Goldberga, znanego ze swojej wcześniejszej kreacji w „Szeregowcu Ryanie” oraz „EdTV”. Anthony’emu Rappowi, który wystąpił w broadwayowskiej inscenizacji „Rent” powierzono rolę Bendera. Jak mówi Rapp: „W filmie gramy (z Goldbergiem) współtowarzyszy Nasha. Co prawda denerwuje nas nieco ekscentryczne zachowanie kolegi, ale to właśnie my będziemy go wspierać naukowo przez całe życie.” Wśród istotnych z punktu widzenia głównego bohatera postaci jest również jego współlokator w akademiku Princeton - Charles, który tak naprawdę stara się podsycać jego ekscentryczne, niekonwencjonalne zachowania. To właśnie za przyzwoleniem Charlesa i przy jego zachęcie Nash posuwa się do takich rzeczy jak na przykład wyrzucanie biurka przez okno. Rolę Charlesa zagrał młody brytyjski aktor Paul Bettany, znany widzom między innymi z kreacji Chaucera w „A Knight’s Tale”.
Inny student Princeton o imieniu Hansen prowadzi intensywną rywalizację z Nashem. Hansena zagrał Josh Lucas, znany między innymi z „You Can Count on Me”, który tak podsumowuje graną przez siebie postać: „Hansen jest niewątpliwie bardzo dobrze wychowany, pochodzi z zamożnej rodziny i niewątpliwie szczęście mu sprzyja. Jedynym zagrożeniem jest dla niego, jak sądzi, właśnie Nash.” Nominowany wcześniej do Oscara za rolę w filmie „Ordinary People” Judd Hirsh gra Profesora Helingera, wykładowcę i doradcę młodego geniusza matematycznego. Jak podkreśla Howard: „Nie chcieliśmy kreować postaci Profesora jako bezdusznego biurokraty.Potrzebowaliśmy kogoś z charyzmą, którego osobowość będzie współgrała z niekonwencjonalną i nieprzeciętnie uzdolniona osobą graną przez Russella. Judd idealnie nadawał się do tego zadania ponieważ w harmonijny sposób łączy przymioty intelektu z humanistycznym światopoglądem.”
Praca na planie filmu „Piękny umysł dała możliwość prowadzenia ponownej współpracy aktorom - Russellowi Crowe i Christopherowi Plummerowi. Plummer, zasłużony dla sceny teatralnej i filmowej artysta wcielił się tym razem w postać Dr. Rosena. Wcześniej panowie mieli możliwość poznać się bliżej na planie filmu „Informator” /”The Insider”/. Jak twierdzi Plummer: „Russell jest jednym z najzdolniejszych i najbardziej wszechstronnych aktorów dzisiejszej sceny filmowej. Rola Johna Nasha jest niewątpliwie dla niego wielkim wyzwaniem, ale to właśnie on jest wymarzonym odtwórcą tej niezwykle złożonej i nietuzinkowej postaci. Znając dbałość Russella o szczegóły mogę ponad wszelką wątpliwość stwierdzić, że jest on wręcz stworzony do tej roli.”
Howard o roli Dr. Rosena: „Rosen pojawia się w życiu Nasha w momencie, kiedy geniusz tak naprawdę jest na rozdrożu życiowym i nie wie komu do końca ma ufać.Tak ważne było zatem z punktu widzenia tej roli znalezienie aktora, który miałby do zaoferowania prawdziwą złożoność i kompleksowość wyborów. Christiopher Plummer jest jednym z tych aktorów, którzy wiedzą jak wyeksponować subtelności, podskórną warstwę postaci i strukturę sceny.”
Plummer doskonale zrozumiał przesłanie leżącego przed nim zadania. Jak sam twierdzi: „Jest to niezwykle interesująca rola, ponieważ początkowo postać doktora jest dosyć dwuznaczna. Widzowie/aktorzy nie mają pewności kim, a może czym jest Dr. Rosen i jakie są jego zamierzenia. Sam scenariusz oczarował mnie nie tyle doskonałością formy i stylem pisarskim, co głęboko ludzkim i wzruszającym przesłaniem, nie siląc się przy tym na tani sentymentalizm.” Plummer z dużym szacunkiem wyraża się o stylu pracy reżysera Rona Howarda. Mówi: „Ron przypomina mi w pewnym sensie reżysera starego typu, który pełnym zaufaniem darzy swoją ekipę. W moim mniemaniu najlepsi są reżyserzy-managerowie, którzy wiedzą jak skompletować dobry zespół. W momencie, kiedy dobiorą sobie współpracowników - filmowców i aktorów, mają do nich pełne zaufanie. To tak jak w rodzinie, w której funkcjonujesz i na której możesz polegać w każdej sytuacji.”
