Кинопробы на роль Остапа Бендера: на роль пробовалось более 20 человек, включая Владимира Басова (намеченного ещё Данелией), Николая Губенко, Александра Пороховщикова, Олега Борисова, Андрея Миронова, Евгения Евстигнеева, Валентина Гафта, Муслима Магомаева и шахматиста Бориса Спасского. Особый интерес вызывали Никита Михалков, Олег Басилашвили и Владимир Высоцкий, но они не были утверждены. По реконструкции Сергея Жильцова, именно Высоцкий мог порекомендовать Арчила Гомиашвили. Гомиашвили, сыгравший Бендера, прожил с этим образом 30 лет, получил квартиру в Москве и открыл ресторан имени своего героя.

Ипполит Матвеевич: вместо заболевшего Сергея Филиппова режиссёр утвердил Ростислава Плятта. Однако Филиппов настоял на съёмках, и Плятт добровольно уступил ему роль. Во время работы сильные головные боли из-за опухоли мозга заставляли Филиппова забывать текст. После операции актёр самостоятельно озвучил героя, а Плятт в благодарность получил роль автора-рассказчика.

Мадам Грицацуева: Нонна Мордюкова была отвергнута как недостаточно смешная, Галина Волчек считалась главной кандидаткой. Но звукооператор привёл свою жену Наталью Крачковскую, и Гайдай утвердил её со словами «Вот она, мечта поэта».

Отец Фёдор: Михаил Пуговкин три недели ждал разрешения от своей глубоко верующей матери, боясь её обидеть ролью священника. Получив благословение, он снялся в фильме. Его жену Катерину сыграла Клара Румянова.

Завхоз Коробейников: Роль предназначалась Эрасту Гарину, но он заболел. Персонажа сыграл сам Леонид Гайдай, а выздоровевшему Гарину режиссёр отдал роль театрального критика. Для Гайдая это стало последней относительно крупной ролью в кино.