Margot Robbie didapuk sebagai sang karakter utama, Barbie yang dideskripsikan di posternya dengan kata 'segalanya'. “...tujuan kami, 'Apa pun yang Anda pikirkan, kami akan memberikan Anda sesuatu yang sangat berbeda—sesuatu yang tak disadari Anda inginkan," katanya tentang cerita film itu kepada The Hollywood Reporter pada 2020.

Ryan Gosling dideskripsikan di posternya dengan kalimat, "Dia hanya Ken." Saat tampil di The Tonight Show Starring Jimmy Fallon, ia berbicara tentang cerita film Barbie. "Naskah terbaik yang pernah saya baca," katanya.

Issa Rae memerankan karakter Barbie yang lain. "Barbie yang ini adalah presiden."

Simu Liu juga gabung di deretan cast film Barbie dan dideskripsikan sebagai 'Ken yang lain'. Pada salah satu adegan di trailer, ia tampak berkonflik dengan Ryan Gosling.

Kate McKinnon juga dideskripsikan sebagai Barbie lain dengan rambut pendek spikey warna rose gold dan outfit serba edgy.

Ncuti Gatwa tampil sebagai Ken berkulit hitam dengan gaya koboi sambil menenteng gitar.

Nicola Coughlan yang tenar lewat serial Netflix, Bridgerton tampil sebagai Barbie bertubuh plus size yang dideskripsikan sebagai seorang diplomat.

Alexandra Shipp yang jadi lawan main Andrew Garfield di Tick, Tick... Boom! berperan sebagai Barbie yang juga penulis tenar.

Tak ketinggalan Ritu Arya yang bakal menjadi Barbie pemenang penghargaan Pulitzer.

Emma Mackey yang sering disebut sebagai kembaran Margot Robbie juga ikutan. Ia memerankan Barbie yang 'memiliki penghargaan Nobel di bidang fisika'.

Dua Lipa bakal menjadi mermaid Barbie di film ini.

Will Ferrell didapuk menjadi bos Mattell, Inc.

Helen Mirren 'ditugaskan' sebagai narator cerita.

Bintang Ugly Betty, America Ferrera dideskripsikan sebagai 'manusia', bukan salah satu Barbie.

Sementara mantan bintang remaja, Michael Cera bakal memerankan Allan.