ある日の寒い冬のシカゴ、8歳の少年・アレックスは、水疱瘡にかかって家で一人で留守番をする事になる。そんな時に近所の家に泥棒が入り込むのを目撃する。しかしアレックス以外に目撃者がいなかったために大人達には信じて貰えなかった。そこでアレックスはラジコンにビデオカメラをつけ、その映像を屋根裏のTVに映してラジコンを操作し、その泥棒を尾行して証拠を残そうとした。泥棒の正体はFBIもマークする犯罪組織の仲間で、彼らが狙っていたのはアレックスが近所のおばさんから貰ったラジコンカーの中に隠されていたマイクロチップ（AXUSというロゴが入っている）だった。そこには国際的トップシークレットの情報が秘められており、連中は盗んだ後に玩具の中に隠してカムフラージュしていたが、手違いでアレックスの元に渡ってしまっていたのだ。彼らはアレックスが件のラジコンカーを持っていると突き止め、チップを取り戻しにやってくる。一人で留守番していたアレックスは、チップと大好きな家族と家、そして世界を守るため、知恵と頭脳を使って、ペットのネズミ・ドリスと、兄のペットのオウムと共に、彼らとの戦いに挑む。
オーストラリアアルプス山脈（オーストラリアアルプスさんみゃく、Australian Alps Range）は、オーストラリアの東海岸を南北に走るグレートディバイディング（大分水嶺）山脈（Great Dividing Range）の一番南側に相当する部分の山脈で、特にオーストラリアの最高峰コジオスコ（Mt. Kosciusko：2,230m）など2,000m級の山々が続くこともあり、「オーストラリアアルプス」と呼ばれている。
2014年6月20日、Deadline.comは8人の主要人物役と、その他の登場人物役としてフリーマ・アジェマン、ナヴィーン・アンドリュース、ダリル・ハンナ、アルフォンソ・ヘレーラ、エレンディラ・イバラが出演することを報じた。制作者たちはアメリカ以外の地域に住む登場人物役として、できるかぎりそれぞれの国籍と合致する俳優のキャスティングを望んだ。たとえばペ・ドゥナ、ティナ・デサイ、マックス・リーメルトはそれぞれ、ソウル、ムンバイ、ベルリンのキャラクターである。8人の主要人物は同じ誕生日という設定であるため、俳優たちは全員、20代半ばから30代前半の者が選ばれた。制作者たちは中国人、日本人、韓国人のキャラクターを描きたいと思っており、ウォシャウスキー姉妹が以前『クラウド アトラス』と『ジュピター』でペ・ドゥナと仕事をしたことから、韓国人のキャラクターを作ると決めた。ペ・ドゥナは『センス8』への出演契約に際して、その5シーズン計画は10年に渡ってアクションシーンの撮影があることを意味すると考え、結婚や妊娠が難しくなることを心配した。ショーランナーたちは、もし妊娠したなら彼女のためにキャラクターを死なせるから心配ないと説得し、彼女はキャストに加わった。ジェイミー・クレイトンは彼女自身と同じくトランスジェンダーの女性を演じる。トランスジェンダーの監督が描いたトランスジェンダーの女性役ということ、またSF好きでストラジンスキーのファンでもあったため、『センス8』に関心を抱いた。タペンス・ミドルトンは『ジュピター』に出演している間に、ウォシャウスキー姉妹が『センス8』の脚本を書いていることを知ったが、出演を考えてはいなかった。ティナ・デサイはロンドンで行われた第二オーディションに参加する都合を付けられなかったが、Skypeを用いて作品についての自分なりの解釈を伝え、役を得た。マックス・リーメルトは、長年リーメルトと一緒に仕事をしたいと思っていたトム・ティクヴァから推薦を受け、キャスティングされた。ブライアン・J・スミスは、当時出演していた舞台のアフターパーティで、本シリーズのキャスティングディレクターを務めるカルメン・キューバと会い、参加を勧められてオーディションに臨んだ。ダリル・ハンナは当初、両性具有のキャラクターとして考えられていたウィスパーズ役で出演依頼を受けたが、面接の場でアンジェリカ役を打診された。11月、Deadline.comは執着心を持つヴィランとしてクリスチャン・オリバーがキャストに加わったと報じた。オリバーは『スピード・レーサー』以来二度目となるウォシャウスキー作品でのヴィラン役に興奮していると語った。『バウンド』と『マトリックス』でウォシャウスキー作品に出演したジョー・パントリアーノがウィルの父親役としてクレジット記載無しでキャスティングされた。2016年4月26日、アムル・アミーンは第2シーズンの脚本の読み合わせ中にラナ・ウォシャウスキーと対立して以来、徐々に関係が悪化し、第2シーズンのいくつかのエピソードを撮影したところで突然降板したとDeadline.comが報じた。Deadline.comの記事や共演者のタペンス・ミドルトンが語るところによれば、その対立は両者の創造性の違いであると示唆されている。そのことについて尋ねられたストラジンスキーは、その場に居合わせなかったためアミーンとラナの間に何が起こったのかを把握していないが、両者の選択を尊重すると述べた。アミーンが去った後、カフィアス役のオーディションが7日間行われ、トビー・オンウメールが改めてキャスティングされた。オンウメールはそれまで本作を未見であったが、オーディションに先立っていくつかのエピソードを視聴した。彼はアプローチについて「私がすべきことはアミーンを正確に模倣することではなく、自分なりの捻りを加えて役柄を自分のものにし、このキャラクターに同じ本質を与えることだ。違った人生を歩んできたし、取り組み方も違うだろうから」と語った。4月初旬、過去ウォシャウスキー作品の『スピード・レーサー』と『ジュピター』に出演したキック・ガリーは、ラナが彼に特別な役を用意し、第2シーズンにキャスティングされたことを電話で知らされた。5月、ベン・コールが"普通の"感応者のトッド役でキャスティングされたことをDeadline.comが報じた。9月、シルベスター・マッコイが、第2シーズンを迎えている、あるネットフリックス作品の3から4エピソードに出演したことを明かし、これは後に本作のことだと特定され、彼が望むならさらなるシーズンに出演契約できることになった。『クラウド アトラス』で端役であったマルティン・ヴトケも第2シーズンに出演した。