Haley Joel Osment gra Davida, prototyp „czującego robota”, który został adoptowany przez Henry’ego i Monikę Swintonów (SAM ROBARDS oraz FRANCES O’CONNOR). Ich prawdziwy syn Martin (JAKE THOMAS) jest bardzo chory, poddano go hibernacji do czasu, kiedy zostanie odkryte lekarstwo. „David jest szczytowym osiągnięciem technologii” - mówi Frances O’Connor, która wcieliła się w rolę Moniki, matki Davida. „W przeciwieństwie do wcześniejszych modeli robotów, on jest zdolny gromadzić informacje, wrażenia, zestawiając je w ten sam sposób co ludzie. Zespala je i tworzy emocje. Zaczyna myśleć o swojej własnej sytuacji- o tym, czy jest prawdziwy". „Największy ciężar przy podjęciu tej dziwnej podróży spoczywał moim zdaniem na ramionach Haley'a Joela Osmenta” - zauważa Curtis. „Jego rola sprawiła, że to wszystko stało się możliwe. Ma niezwykle dojrzały styl, będąc w tak młodym wieku. Jego transformacja w filmie jest niezwykle realna". „Rozmawiałem ze Stevenem o tym, w jaki sposób mogę rozwinąć to, że David jest robotem” - mówi Osment. „Zdecydowaliśmy, że w miarę, jak akcja idzie do przodu i ja, jako robot, uczę się coraz więcej o świecie, moje doświadczenia mogą dawać mi coraz więcej i więcej człowieczeństwa, a mniej sztuczności. W miarę, jak David się uczy, wiele z fizycznych ‘sztucznych’ cech charakterystycznych niknie, ale niektóre zostają.” „Myślę, że Haley jest bardzo profesjonalnym, wykształconym aktorem, bardziej, niż jakikolwiek dorosły. Jest zupełnie zadziwiający” – mówił reżyser.
Jude Law, znany z „Wroga u bram” i „Utalentowanego pana Ripley’a”, gra w filmie Gigolo Joe, „love mecho” (sztucznego "żigolaka"), który staje się dla Davida „harcmistrzem”- jak nazywa to Spielberg. Razem z Joe, David przemierza drogę, która prowadzi do dziwnego, nowego świata, którego szukają, do prawdziwego domu- rzeczywistości, która ich stworzyła. „W świecie Sztucznej Inteligencji ludzkość zaczyna właśnie ufać pracy robotów mechanicznych, stworzonych do prostych prac” - mówi Law. „Przez lata rozwój robotów znacznie się posunął - teraz mogą wykonywać pracę bardziej skomplikowaną, robot rozśmiesza cię w ten sam sposób, co przeciętny telewizyjny komik, niektórzy mają w domu robota-masażystę. Doszło nawet do tego, że istnieją roboty do zabawiania, zaspokajania potrzeb fizycznych. Joe jest męską wersją seksmaszyny.” Jude Law został obsadzony w trudnej roli Gigolo Joe, „love mecho”. Czekała go czasochłonna charakteryzacja i studia nad mimiką i poruszaniem się, żeby przygotować się do zagrania postaci, która śpiewa, tańczy i zmienia się fizycznie na żądanie. „Joe jest żigolakiem. Ma różnych klientów, z niektórymi po prostu rozmawia, innych podrywa. Innych najwyraźniej zabiera o wiele dalej. Potrafi natychmiast zmienić sposób, w jaki podrywa" – o[powiadał Law.
Australijska aktorka Frances O’Connor („Mansfield Park”) i amerykański aktor Sam Robards („American Beauty”) zostali wybrani do ról Moniki i Henry’ego Swintonów, podczas, gdy młody aktor Jake Thomas (telewizyjny serial „Lizzie McGuire”) zdobył rolę ich syna z krwi i kości, Martina. Aktor-weteran, Brendan Gleeson („The General”) odtwarza łowcę robotów Lorda Johnson-Johnson, natomiast zdobywca Nagrody Akademii William Hurt gra rolę Profesora Hobby’ego. Spiker-weteran, podkładający głosy aktor Jack Angel został wybrany jako dojrzały, pewny i mądry głos misia Teddy’ego, super-zabawki Davida, jego obrońcy i kumpla.
Z wybraną obsadą, twórcy filmu skupili się na tworzeniu niezwykłych efektów specjalnych i technicznych sztuczek, które, w wielu przypadkach, nigdy przedtem nie zostały jeszcze wykorzystane w żadnym filmie. Każdy dzień zdjęć „A.I.” był wyzwaniem dla technologii, łączącej się ze sztuką - intrygującej charakteryzacji, dopracowanych efektów specjalnych. Aktorzy musieli skupić się czymś rzadko wykorzystywanym w ich zawodzie: ucieleśnianiu lub reagowaniu na wirtualne formy życia.
