Casting Miles Teller i Emma Watson byli wstępnie obsadzeni w głównych rolach. Watson opuściła projekt dołączając do obsady adaptacji Pięknej i Bestii z 2017 r., natomiast Teller nie zgodził się na proponowany mu kontrakt. Chazelle zdecydował się by jego bohaterowi byli nieco starsi i bardziej doświadczeni w swej pogoni za marzeniami, a nie młodymi przybyszami w Los Angeles.
Emma Stone gra rolę Mii, aktorki szukającej angażu w przerwach pomiędzy pracą w kawiarni. Stone została fanką musicali, gdy w wieku 8 lat zobaczyła w teatrze Les Miserablés, z kolei udział w numerze śpiewanym zawsze był dla niej marzeniem. W wieku 15 lat przeprowadziła się z matką do Hollywood, aby tam rozpocząć karierę aktorską. Przez cały pierwszy rok bezskutecznie walczyła o role na przesłuchaniach. Chazelle poznał Stone, kiedy ta debiutowała na deskach Broadwayu w spektaklu Cabaret. Chazelle i Hurwitz widzieli jej występ w nocy, której aktorka była przeziębiona. Na późniejszym wspólnym obiedzie przedstawił jej zarys planowanego filmu i przekonał ją do dołączenia obsady. Propozycję przyjęła m.in. ze względu na pasję twórczą Chazelle’a. Przygotowując się do roli obejrzała kilka musicali, które zainspirowały twórcę, w tym Parasolki z Cherbourga czy filmy z udziałem Freda Astaire’a i Ginger Rogers.