O ile napisanie scenariusza "W dolinie Elah" zajęło Haggisowi półtora roku, o tyle skompletowanie obsady odbyło się niemal błyskawicznie. "Niewielu jest aktorów amerykańskich, o których można powiedzieć `ikona'. Tommy Lee Jones jest kimś więcej - to jeden z naszych najlepszych aktorów, dlatego cieszyłem się, gdy przyjął propozycję od razu po lekturze scenariusza", wspomina reżyser. Theron również nie mogła odmówić jednemu ze swoich ulubionych twórców, który wybrał ją ze względu na wyjątkową umiejętność przemiany: "Chodzi o małomiasteczkową panią detektyw, a zatem kogoś będącego zaprzeczeniem hollywoodzkiej gwiazdy. Charlize ma niesamowitą zdolność znikania w skórze postaci, którą gra".
"Emily Sanders jest samotną matką, która chce jedynie utrzymać się na powierzchni", tłumaczy Theron. "Zależy jej na dobrym wykonywaniu swojej pracy i wychowaniu syna.
Nie brakuje jej siły, potrafi walczyć o swoje i przestrzegać wymagań, przed jakimi staje w pracy. Jest przy tym zwyczajnym człowiekiem. Nowa sprawa nie należy jednak do rutynowych, nigdy dotąd nie zajmowała się przestępstwem o takim wydźwięku".
Jak zaznacza aktorka, Emily bardzo angażuje się w śledztwo, dlatego jego wynik dotyka ją osobiście. Ludzie, z którymi ma do czynienia, również wpływają na jej życie. "Tworzy się piękna i trochę dziwna więź między nią a Hankiem. Są zupełnie odmiennymi ludźmi, którzy zdani na siebie muszą rozwikłać zagadkę zniknięcia jego syna. Hank ciągle zdaje się być od niej lepszy, co doprowadza ją do szału. Dopinguje ją to jednak do dawania z siebie wszystkiego. Tommy Lee Jones przyznaje, że jego postać rywalizuje z Emily i nie ukrywa do niej niechęci: "Zjednuje go dopiero jej uprzejmość i wyrozumiałość".
Kolejną kluczową rolę gra w filmie Joan, żona Hanka w kreacji Susan Sarandon. Po uwagach aktorki Paul Haggis poszerzył ją, dodając szereg sekwencji, w których przyjął właśnie punkt widzenia Joan. Nie ma jednak wątpliwości, że równie ważnymi postaciami "W dolinie Elah" są żołnierze. W dwóch spośród nich wcielili się prawdziwi weterani. I tak Gordona Bonnera gra debiutujący na ekranie Jake McLaughlin, który ma za sobą służbę w Iraku. McLaughlin stacjonował w Zatoce Perskiej w tym samym okresie, w którym dzieją się wydarzenia przedstawione w filmie. Nie musiał zatem wczuwać się w sytuację swojej postaci i tym samym grał z uznanymi gwiazdami jak równy z równym.
Drugim "naturszczykiem" w filmie jest grający kaprala Penninga Wes Chatham, który przez cztery lata służył w Marynarce Wojennej w Zatoce Perskiej. Mimo że nie trafił bezpośrednio do Iraku, Chatham miał świadomość atmosfery, jaka panowała na miejscu. O swoim bohaterze mówi, że w odpowiednich warunkach potrafi przeobrazić się z dobrego kolegi i żołnierza w prawdziwego potwora.
Znany z serialu "Gotowe na wszystko" Mechad Brooks oraz Victor Wolf grają towarzyszy broni Bonnera i Penninga, i podobnie jak oni byli zachęcani przez Paula Haggisa
do spędzania każdej chwili razem. "Czasami nawet działaliśmy sobie na nerwy,
ale w rezultacie widać, że razem byliśmy na wojnie", twierdzi Wolf. "Mieliśmy się razem upijać, kochać i nienawidzić, a przede wszystkim zaprzyjaźnić", dodaje Brooks.
"Do wojska trafiają najróżniejsi ludzie", wspomina Chatham. "Wspólne doświadczenia zbliżają, rodzą się przyjaźnie. Haggisowi zależało właśnie na oddaniu tej chemii". Reżyser uściśla, że udział prawdziwych żołnierzy miał na celu uprawdopodobnienie historii:
"W człowieku, który był na wojnie, kryje się niezaprzeczalna prawda. Szukaliśmy aktorów, dysponujących taką autentycznością."
Obsadę zamykają znani już szerokiej widowni Jonathan Tucker w roli Mike'a Deerfielda, widziany głównie w retrospekcjach, Jason Patrick jako porucznik Kirklander i James Franco jako sierżant Carnelli oraz Josh Brolin, grający miejscowego szefa policji, próbującego pozbyć się kłopotliwej sprawy zniknięcia żołnierza. W Evie, tancerkę topless, która jako jedna z ostatnich widziała Mike'a, wcieliła się Frances Fisher.
