Dezenas de atores fizeram o teste para interpretar Peter Quill. Joel Edgerton, Eddie Redmayne, Jensen Ackles, Lee Pace, Wes Bentley, Jack Huston, Logan Marshall-Green, Garrett Hedlund, Chris Lowell, James Marsden, Jim Sturgess, Joseph Gordon-Levitt, Aaron Paul, Michael Rosenbaum, John Krasinski e muitos outros participaram das audições. E o mais curioso é que James Gunn não estava nada motivado em assistir à audição de Chris Pratt. O diretor foi convencido por seu assistente e o teste aconteceu já no final da longa sessão. Bastaram 30 segundos de audição para Pratt deixar a desconfiança de Gunn de lado e impressioná-lo!
Mais tarde, o cineasta revelou que o teste foi tão bom que estava convencido a entregar a Pratt o papel de Peter Quill mesmo que ele não perdesse peso e entrasse em forma a tempo do início das filmagens. Gunn ainda brincou que poderia colocar uma "barriga de tanquinho" em CGI (computação gráfica) no corpo do ator, mas isso não foi necessário: ele pediu seis meses para perder as 50 libras (cerca de 22 quilos) necessárias, mas foi além, perdeu 60 libras (mais de 27 quilos) e ainda conseguiu, naturalmente, conquistar um abdômen sarado.
Chris Pratt passou por um rigoroso regime de treinamento e dieta muito por 6 meses, perdendo quase 30 quilos para suas cenas sem camisa - e para, eventualmente, levar às telas um Peter Quill com a famosa "barriga de tanquinho". E ele teve sucesso! Em entrevistas recentes, Pratt contou que o trabalho foi muito duro, quase torturante, mas que, ao assistir às suas primeiras imagens no monitor, durante as filmagens, sentiu que todo o esforço valeu a pena e ficou "imensamente feliz em se ver em sua melhor forma física possível".
De acordo com os realizadores do filme, Rocket Raccoon é um produto único de experimentação: "Ele é um pequeno animal no qual foram feitas experiências, depois separado, e então reintegrado, e recebeu implantes cibernéticos, então ele é meio máquina, meio guaxinim. Ele é uma criatura miserável, difícil, irritada porque não há nada parecido com ele. E não é fácil mesmo ser assim. "
Vin Diesel disse que teve de gravar mais de mil vezes a icônica frase "Eu sou o Groot", que é tudo que seu personagem diz durante o filme.
Quando soube que conseguira o papel de Drax, o Destruidor, Dave Bautista se debulhou em lágrimas, tamanha a emoção em interpretar um personagem dos quadrinhos da Marvel. E o fisiculturista e lutador de MMA tratou de se inscrever imediatamente num curso extra de interpretação.
Djimon Hounsou conseguiu o papel de Korath graças a seu filho: "Eu tenho um filho que ama super-heróis, de Homem-Aranha a Homem de Ferro e Batman etc. Um dia ele olhou para mim e disse 'Pai, eu quero ter a pele clara, assim eu posso ser o Homem-Aranha. Ele tem a pele clara.’ Isso foi um choque pra mim.”
Bradley Cooper citou Tommy DeVito, o inesquecível personagem de Joe Pesci em Os Bons Companheiros (1990), como influência na dublagem de Rocket Racoon. Certamente, ambos têm muito em comum, a começar pelo pavio curto.
James Gunn comparou Guardiões da Galáxia a The Avengers através de bandas musicais: "Os Vingadores são como os Beatles, mas os Guardians são os Rolling Stones!"
Zoe Saldana quase quebrou as costelas de Chris Pratt durante a gravação de uma cena de luta. 's ribs while filming a fight sequence. Durante o treinamento, Pratt e Saldana usavam equipamentos de proteção, para que pudessem bater um no outro de verdade. No dia de filmar a cena, Pratt se esqueceu de vestir o equipamento de proteção, mas decidiu não contar a Saldana, achando que ela pudesse bater mais fraco (o que tornaria a luta menos crível) se a atriz soubesse disso. Então Saldana deu-lhe um belo chute nas costelas, levando Pratt à lona. O ator disse que o golpe rendeu-lhe uma contusão para o restante das filmagens.
Chris Pratt (Peter) e Dave Bautista (Drax) perderam dois meses e meio treinando e ensaiando para a cena de luta de seus personagens. Três dias antes do dia para o qual sua gravação estava agendada, o James Gunn achou que a cena não funcionaria com as câmeras ligadas e reescreveu toda a sequência para a qual os atores vinham treinando duro há semanas. Para piorar, o diretor decidiu que a cena deveria ser um longo plano-sequência, sem cortes. Assim, Pratt e Bautista tiveram apenas algumas horas para aprender toda a coreografia da cena de luta que está no filme. Segundo Bautista, eles precisaram de 22 tomadas para gravar a cena.
Adam Sandler, David Tennant, Sharlto Copley, Jim Carrey e H. Jon Benjamin estiveram cotados para fazer a voz do Rocket Raccoon, dublada por Bradley Cooper.
Para se preparar para interpretar Nebula, Karen Gillan raspou a cabeça!
No filme, Ronan, o Acusador (Lee Pace) é um almirante a serviço de Thanos (Josh Brolin). Essas características combinam seu retrato clássico nos quadrinhos da Marvel (um governante militar de alto escalão) à sua versão no universo Ultimate, como aliado do "Titã Louco".
Djimon Hounsou e Lee Pace fizeram testes para os papéis de Drax, o Destruidor e e Peter Quill, respectivamente, e ambos foram reaproveitados, como os vilões Yondu e Ronan.
Depois, Hounsou admitiu que, quando viu Dave Bautista, e quão bem preparado fisicamente ele estava, sabia que o ator/lutador de MMA era a melhor escolha para o papel.
Djimon Hounsou achou o seu traje e sua maquiagem como Korath muito desconfortáveis e rígidos. O ator disse que canalizou tamanho desconforto em suas sequências de ação.
A Marvel planejava uma participação especial do Homem de Ferro no filme, devido à recente integração do super-herói aos Guardiões da Galáxia nos quadrinhos, em 2013. A ideia teve de ser abandonada quando Robert Downey Jr. disse que poderia não continuar como Tony Stark no futuro. Como tudo se tratava de estratégia de negócios, Downey Jr. assinou contrato para reprisar o papel em mais duas sequências de Os Vingadores, mas aí já era tarde.
Zoe Saldana quis interpretar Gamora através de maquiagem em vez de imagens geradas por computador ou pelo processo de captura de movimentos. A atriz fez a Neytiri de Avatar toda em motion capture.
A sequência do filme (Guardiões da Galáxia Vol. 2) foi lançada em 2017.