Gemma Arterton skulle opprinnelig spilt den unge Agent O, men måtte trekke seg grunnet andre prosjekter. Sacha Baron Cohen ble vurdert for rollen som Boris. Agent J drar tilbake til år 1969, 43 år tilbake i tid, for å redde den unge Agent K. Josh Brolin, som spiller den yngre versjonen, er kun 21 år yngre enn Tommy Lee Jones, som spiller den eldre versjonen. Dette er den første filmen Will Smith spiller i siden desember 2008, da han var med i – altså 3,5 år før kom ut. Det er samtidig den lengste perioden Smith har gått uten å spille inn film siden han startet i 1990.