Для многих актёров съёмки в фильме стали судьбоносными.
В тонкой, лирической комедии с парадоксальными диалогами, свойственными фильмам режиссёра Марка Захарова, блистала целая россыпь звёзд.
В образе Великого Обманщика, барона Мюнхгаузена режиссёр Захаров видел только Олега Янковского. Актёр, только что снявшийся в роли Волшебника в телефильме «Обыкновенное чудо», по мнению режиссёра, вполне подходил на роль Мюнхгаузена. Тем не менее, Марку Захарову пришлось довольно долго убеждать худсовет киностудии. Григорий Горин тоже поначалу скептически отнёсся к кандидатуре Олега Ивановича. Амплуа Янковского до этого, как считалось, более соответствовали героические роли. Кроме того, сложившийся по книге и спектаклю образ барона соответствовал немолодому человеку, имеющему взрослого сына. Янковскому же на момент начала съёмок исполнилось только 35 лет. В итоге режиссёру удалось отстоять свою точку зрения. И на пробах Янковский не подвёл. Он раскрыл в себе нетипичную ему ранее комедийность, и скрытый лиризм, и внутренний драматизм.
«В приглашении Олега Янковского на эту роль был элемент риска, – говорил Марк Захаров. – Он всё-таки сложился как актёр совсем не комедийного толка. Но к чести Олега, в его актёрской палитре нашлись комедийные краски, которые в фильме, особенно в первой его части, получили достойное воплощение».
Сам актёр в дальнейшем не раз благодарил режиссёра за предоставленную возможность сменить амплуа, показать себя в ином, непривычном качестве. Янковский называл эту роль одной из самых любимых и говорил: «Я благодарен Марку Захарову за то, что он, поверив в меня, разглядел во мне ту нетипичную комедийность, способность передать грустную иронию персонажа, которой сам я, откровенно говоря, в себе не подозревал. Захаров предпочёл взять известного зрителям актёра и использовать его в ином амплуа, в ином жанровом качестве. И для меня это стало действительно подарком судьбы».
Народного артиста СССР Олега Янковского, к сожалению, уже нет среди живых. В его фильмографии более 80 работ, но одной из самых запоминающихся стала главная роль в фильме «Тот самый Мюнхгаузен». И после премьеры картины Олег Янковский стал, безусловно, «главным Мюнхгаузеном».
Леонид Броневой был принят на роль Герцога без проб. В новом амплуа Леонид Сергеевич показал себя блестяще. Он даже придумал эпизод, где герцог измеряет портняжным сантиметром расстояние между Англией и немецким княжеством, которым он правит. «Это же совсем рядом», – восклицает он. Леонид Сергеевич в роли курфюрста Ганновера с его заявлениями — «Свободная линия плеча, зауженные панталоны… Вы могли бы стать примером для нашей молодёжи!» — оказался блистателен.
На роль сына барона — Феофила — первоначально пробовался актёр театра Сатиры Юрий Васильев, но в итоге был утверждён Леонид Ярмольник. До этой киноленты Леонид Ярмольник играл лишь эпизодические роли. На съёмочную площадку к Захарову актёра привёл Александр Абдулов. После выхода фильма на экран Ярмольнику стали предлагать уже более серьёзные роли.
На роль баронессы Якобины фон Мюнхгаузен рассматривалась Екатерина Васильева, но утвердили Инну Чурикову, которую Марк Захаров называл главной актрисой своего театра. Захаров был уверен, что ленкомовская звезда блестяще сыграет покинутую супругу главного героя. Так и произошло. Фразы баронессы из уст царственной Инны Михайловны звучат шедеврально.
Нашлось место и для Александра Абдулова, который был как некий талисман для фильмов Захарова. Абдулов сыграл роль Рамкопфа. На эту роль пробовался актер из МХАТа Сергей Колесников, но большинство на худсовете проголосовали за Александра Абдулова. Говорили, что хоть в нём и нет иронии, но есть юность, обаяние и симпатия зрителей.
Юрий Катин-Ярцев, сыгравший Томаса, слугу барона, был учителем Ярмольника (а также Александры Захаровой) в театральном училище имени Щукина.
Игорь Кваша был приглашён из «Современника» на роль друга барона, потому что, по мнению режиссёра, как никто другой подходил по своим творческим и человеческим качествам.
Семён Фарада получил роль главнокомандующего благодаря своему комедийному дару. Поначалу чиновники не хотели его выпускать за границу, так как считали неблагонадежным. Захарову пришлось обойти несколько инстанций, прежде чем артисту все-таки разрешили выехать в Германию. Поскольку Фарада впервые оказался за границей, он искренне всему удивлялся.
Вместе с Янковским, Чуриковой и Абдуловым в фильм пришли: на роль судьи – Всеволод Ларионов, пастора – Владимир Долинский, герцогини – Нина Палладина. Около половины занятых в фильме актёров – ленкомовский костяк.
Сложнее всего оказалось найти исполнительницу роли Марты. Пробы на роль возлюбленной главного героя проходили сразу несколько известных актрис. Захаров хотел снимать Татьяну Догилеву, но худсовету его выбор не понравился. Они посчитали, что её облик не подходит той эпохе, и актриса пробы не прошла. На роль пробовались Галина Золотарёва, Ирина Мазуркевич и другие актрисы, среди которых была Елена Коренева. Создатели картины разложили фотографии всех претенденток и выбрали Кореневу несмотря на то, что на фото она вовсе не была похожа на романтическую героиню. Для Кореневой это была уже не первая заметная роль. Ещё на втором курсе института она сыграла главную роль в картине «Романс о влюблённых» Андрея Кончаловского.
«Я тогда хипповала, носила стрижку «ёжиком» и мой внешний облик абсолютно не соответствовал моей героине, – вспоминает актриса. Гримёрам пришлось изрядно потрудиться. Но вообще от съёмок в «Мюнхгаузене» у меня только приятные воспоминания. Мы снимали на натуре в ГДР и в павильонах «Мосфильма». Всё свободное время проводили вместе, веселились, дурачились. Заводилой всегда был Саша Абдулов – большой выдумщик, фантазёр. Мне было интересно работать. К тому же сценарий картины написал Григорий Горин».
Захаров вообще умел всё: и биться за актёров, и добиваться от актёров нужных реакций.