Трудные уговоры
Ряд актерских позиций был понятен Гайдаю еще до начала кастинга — Александр Демьяненко автоматически шел на роль Шурика. Гримеры только перекрасили ему волосы, и он стал блондином в очках. Товарища Саахова должен был играть Владимир Этуш, но начал отказываться. Незадолго до этого он сыграл человека «южной национальности» в фильме «Время летних отпусков» и не хотел, чтобы за ним закрепилось такое амплуа, но в итоге Леонид Иович смог его уговорить.
Никулин тоже не горел желанием сниматься в «Кавказской пленнице» — по его мнению, сценарий фильма был глуп, и картина должна была провалиться в прокате. Плюс к этому всем троим — Никулину, Моргунову и Вицину — надоело, что их воспринимают только как комедийную тройку.
Дядю Нины, Джабраила, должен был сыграть Михаил Глузский. Но после кастинга Фрунзика Мкртчяна Гайдай утвердил его. Глузский не остался без роли — он сыграл администратора гостиницы.
В поисках Нины
На роль Нины Гайдай пересмотрел около 500 различных девушек. До кинопроб из них добрались около 50. Наталья Селезнева из «Операции «Ы» изначально не рассматривалась — режиссер не желал повторять женскую линию во втором фильме. Рассматривались Лариса Голубкина, Марианна Вертинская, Анастасия Вертинская, Жанна Болотова, Наталья Фатеева, Валентина Малявина, Наталья Кустинская.
Потом кто-то посоветовал Гайдаю обратить внимание на «цирковую девочку», акробатку Наталью Варлей, которая на тот момент снималась в фильме «Формула радуги» в Одессе. Актрису вызвали в Москву, где она успешно прошла кинопробы. Там у Натальи спросили — готова ли она сниматься в купальнике, на что та ответила утвердительно. Многие не понимали ее смелости, на что Варлей сказала, что в цирке все акробатки выступают в купальнике, так что это ее «рабочая одежда». Спустя какое-то время Гайдая спросили, почему он всех своих героинь «раздевает» до купальника, на что мэтр ответил: «Бриджит Бардо в купальнике выглядит талантливее, чем Фаина Раневская».
Наталья Варлей была неопытной актрисой, ее голос не понравился Гайдаю, поэтому роль Нины озвучила Надежда Румянцева. Песню же про медведей спела Аида Ведищева. За весь фильм Варлей своим голосом сказала только одну фразу в конце фильма — «Ошибки надо не признавать, их надо смывать кровью!».