斯顿饰演洛基。克里斯·普瑞特饰演彼得·奎尔／星爵，戴夫·巴帝斯塔饰演德克斯，庞·克莱门捷夫饰演螳螂女，冯·迪索声演格鲁特。温斯顿·杜克饰演恩巴库，莉蒂西亚·莱特饰演舒莉，山缪·杰克森饰演尼克·福瑞，蔻碧·史莫德饰演玛莉亚·希尔，威廉·赫特饰演撒迪厄斯·E·「雷霆」·罗斯，雅各布·贝塔隆饰演。凯瑞·康顿声演东尼的人工智能管家（），饰演作为宝石看守者的红骷髅。另外，、和分别以动作捕捉方式饰演乌木喉、黑曜猎手和亡刃，唯独前集中由饰演的暗夜比邻星，这次全部由替身演员扮演。其他从系列前作电影中回归的演员包括伊凡洁