Nel cast del film Atomica Bionda, troviamo la presenza dei seguenti attori:
Charlize Theron, James McAvoy, Sofia Boutella, John Goodman, Toby Jones, Eddie Marsan, Daniel Bernhardt, James Faulkner, Jóhannes Haukur Jóhannesson, Roland Møller.
Per affrontare al meglio la parte a lei affidata, Charlize Theron si é preparata fisicamente con 8 personal trainer diversi, anche con Keanu Reeves il quale era impegnato a girare il secondo capitolo della saga di John Wick.