Переговоры и пробы с актерами, то что теперь называют «кастингом», для «Бриллиантовой руки» начались после одобрения сценария Главным управлением кинематографии. Роль Семена Семеновича Горбункова с самого начала предназначалась Юрию Никулину. Ему ради съемок в «Союзгосцирке» дали специальный отпуск сроком на полгода, чего ранее не делали никогда. В небольших ролях в фильме снялись жена и сын Никулина. Татьяна сыграла экскурсовода, а Максим - того самого мальчика с рыболовным сачком, гулявшего по воде в сцене "на острове".
Между тем, на другие роли явных претендентов не было. Так, в роли Геши Козодоева Леонид Гайдай, сначала видел Георгия Вицина, но рискнул и пригласил 27-летнего Андрея Миронова. Позже советские кинокритики писали: «Судьба протянула Миронову свою бриллиантовую руку» - именно этот фильм стал началом всесоюзной популярности актера.
На роль главного бандита Лёлика пробовались Анатолий Папанов, Михаил Пуговкин и Леонид Сатановский. Худсовет выбрал первого из них.
Роль соблазнительницы Анны Сергеевны была сначала предложена Кларе Лучко, но та, прислав соответствующие фотографии на кинопробы, все же отказалась сниматься, посчитав роль несерьезной. Кандидатура Светланы Светличной с трудом, но прошла.
Окончательное утверждение актерского состава состоялось 22 апреля, а уже спустя три дня в павильонах «Мосфильма» начались съемки.
