幼い男の子である「くんちゃん」の声に、当時まだ10代だった女優の上白石萌歌が起用されたことは大きな話題を呼んだ。当初、上白石はミライちゃん役のオーディションを受けていたという。しかし、細田守監督は彼女の持つ無垢で伸びやかな声の響きの中に、4歳児特有の感情の爆発と繊細さを見出し、急遽くんちゃん役に抜擢した。
一方、成長した妹のミライちゃんを演じた黒木華は、確かな演技力で幻想的な世界への案内人としての役割を見事に果たしている。時空を超えてやってくるミライちゃんの神秘性と、どこか親しみやすい妹としての表情。その絶妙なバランスを声だけで完璧に表現してみせた。上白石と黒木という二人の演技派が交錯するアフレコ現場では、台本の行間を読み解く真剣な議論が重なったという。
