Christopher Nolan afirma que nunca tuvo un elenco en mente al escribir un guión, pero algo me dice que estaba pensando en Cillian Murphy mucho antes de que terminara de adaptar la biografía de J. Robert Oppenheimer de Kai Bird y Martin J. Sherwin, «American Prometheus». Según el cineasta, que habló sobre el casting para The Hollywood Reporter, había estado «mirando la portada del libro ‘American Prometheus'» durante meses, que presentaba una fotografía en blanco y negro de su tema. El director dijo: «Pensé: ‘Bueno, sé quién podría hacer eso'».
En lo que respecta al resto del elenco, la reputación de Nolan como uno de los principales directores de la actualidad funcionó mucho a su favor, lo que resultó en lo que parece un proceso de casting relativamente sencillo en el que los actores se vieron obligados a decir «sí» en el acto. Ese fue sin duda el caso de Robert Downey Jr., como le dijo a THR: «Por lo general, hay 38 llamadas telefónicas. Pero él es Chris Nolan. Así que dije, ‘Sí'». Pero gracias a un acuerdo improbable con su esposa, pudo aceptar la oferta de Nolan y filmar «Oppenheimer» antes de comenzar a trabajar en «Air». Como le dijo a Entertainment Weekly:
«Había negociado mucho con mi esposa que me tomaría un tiempo libre. […] pero en realidad negocié en terapia de pareja, la única advertencia para tomarme un tiempo libre era si Chris Nolan llamaba. Esto es sin saber si estaba o no trabajando en algo, porque nunca te lo dice. Él simplemente te llama de la nada. Y así, fue un momento en mi hogar».