 | Ana de Armas als Norma Jeane |
 | Adrien Brody als The Playwright |
 | Bobby Cannavale als The Ex-Athlete |
 | Sara Paxton als Miss Flynn |
 | Lucy DeVito als Ex-Athlete's Niece |
 | Julianne Nicholson als Gladys |
 | Scoot McNairy als Tommy Ewell / Richard Sherman |
 | Xavier Samuel als Cass Chaplin |
 | Caspar Phillipson als The President |
 | Evan Williams als Eddy G. Robinson Jr. |
 | Rebecca Wisocky als Yvet |
 | Toby Huss als Whitey |
 | Catherine Dent als Jean |
 | Haley Webb als Brooke (Flight Attendant) |
 | Dan Butler als I.E. Shinn |
 | Tygh Runyan als Norma Jeane's Father |
 | David Warshofsky als Mr. Z |
 | Michael Masini als Tony Curtis / Josephine |
 | Chris Lemmon als Jack Lemmon / Daphne |
 | Ned Bellamy als Doc Fell |
 | Sonny Valicenti als Casting Director |
 | Tatum Shank als Dick Tracy |
 | Andrew Thacher als Jiggs |
 | Dominic Leeder als Bugs Bunny |
| Skip Pipo als Dr. Bender |
 | Ravil Isyanov als Billy Wilder |
 | Tim Ransom als Rudy |
 | Rob Brownstein als Acting Coach |
 | Rob Nagle als Radio Announcer |
 | Ethan Cohn als Assistant to the Director |
 | Mike Ostroski als The Writer |
 | Christopher Kriesa als Joe E. Brown |
 | Eric Matheny als Joseph Cotten |
 | Kiva Jump als Ward Nurse at Norwalk |
 | Patrick Brennan als Joe (Photo Shoot Photographer) |
 | Ryan Vincent als Uncle Clive |
 | Vanessa Lemonides als Marilyn Singing Voice (voice) |
 | Michael Drayer als Deputy Will Bonnie |
| Claudia Smith als Dee-Dee |
 | Mary-Pat Green als Tracey |
 | Ron West als Dr. Spindel (Abortion Doctor) |
| Flynn Platt als Actor in Play |
 | Scott Wilder als Chloroform Man #1 |
 | Sal Landi als Chloroform Man #2 |
 | Seth Meriwether als 5th Helena Messenger |
| Darrin M. Schlie als Assistant Camera Man |
 | Julián Rebolledo als Trailer Announcer / Newsreel Announcer |
 | Allan Havey als Dr. Greenson |
 | Tereza Rizzardi als Ex-Athlete's Momma |
 | Lily Fisher als Young Norma Jeane |
| Spencer Taylor als Assistant Director |
 | Denna Thomsen als Choreographer |
 | Parker Harris als Diamonds Dancer |
 | Ryan Kanfer als Diamonds Dancer |
| Scott Hislop als Diamonds Dancer |
| Parker Blakely als Diamonds Dancer |
 | Chris Moss als Diamonds Dancer |
 | Cris Cangero als Diamonds Dancer |
| Brandon Beltran als Diamonds Dancer |
| Patrick Ellis als Diamonds Dancer |
| Luke Kamppila als Diamonds Dancer |
| Richard Biglia als Diamonds Dancer |
| Arne Gjelten als Diamonds Dancer |
| Russell Ridgeway als Diamonds Dancer |
| Jake Brandorff als Diamonds Dancer |
 | Bryan Anthony als Diamonds Dancer |
 | Jeremy Shouldis als Tuxedo #2 (uncredited) |
 | Steve Bannos als Brentwood Doctor (uncredited) |
 | Dieterich Gray als Photographer's Assistant (uncredited) |
 | Mia McGovern Zaini als Young Norma Jeane (voice) (uncredited) |
 | Garret Dillahunt als Producer (uncredited) |
 | Eden Riegel als Esther (uncredited) |
| Brad Pitt | Producer |
| Andrew Dominik | Director |
| Laray Mayfield | Casting |
| Joyce Carol Oates | Novel |
| Dede Gardner | Producer |
| Tracey Landon | Unit Production Manager |
| Jeremy Kleiner | Producer |
| Tina Roesler Kerwin | Makeup Department Head |
| Aaron C. Fitzgerald | Second Assistant Director |
| Jaime Leigh McIntosh | Hair Department Head |
| Liv Banks | Production Supervisor |
| Peter Andrus | Art Direction |
| Lynnae Duley | Key Hair Stylist |
| Chayse Irvin | Director of Photography |
| Adam Robinson | Editor |
| Florencia Martin | Production Design |
| Nick Cave | Original Music Composer |
| Warren Ellis | Original Music Composer |
| Jon Flores | Sound Effects Editor |
| Jindřich Červenka | Visual Effects Supervisor |
| Erin Fite | Set Decoration |
| Liz Briseno | Makeup Artist |
| Monica Caldera | Makeup Artist |
| Desiree Falcon | Makeup Artist |
| Claudia Humburg | Makeup Artist |
| Amy Lederman | Makeup Artist |
| Tracy Manzo | Makeup Artist |
| Cheri Minns | Makeup Artist |
| Rosanna Montes | Makeup Artist |
| Benjamin Robin | Makeup Artist |
| Annie Tagge | Makeup Artist |
| Lizbeth Williamson | Makeup Artist |
| Don Elliott | Set Dresser |
| Joseph Feld | Set Designer |
| Allison Isenberg | Set Decoration Buyer |
| Masako Masuda | Set Designer |
| Raoul Bolognini | Visual Effects Producer |
| Jon Campfens | Visual Effects Supervisor |
| Virginia Cefaly | Visual Effects Producer |
| Peter Denomme | Visual Effects Producer |
| Richard Ivan Mann | Visual Effects Producer |
| Christine McDermott | Visual Effects Producer |
| Phillip Moses | Visual Effects Supervisor |
| Beau Parsons | Visual Effects Supervisor |
| Luca Saviotti | Visual Effects Supervisor |
| Chris Wells | Visual Effects |
| Betsy Glick | Costume Supervisor |
| Marina Marit | Set Costumer |
| Felicia Molinari | Set Costumer |
| Scott Robertson | Producer |
| Ben Greaves | Boom Operator |
| Chris Navarro | ADR Mixer |
| Lisa Pinero | Sound Mixer |
| Eva Rismanforoush | Utility Sound |
| Daniel Ward | Foley Editor |
| Michael Cutler | Set Dresser |
| Erik Soderstrom | Set Dresser |
| Kristin Bree Calabrese | Script Supervisor |
| Jessica Jordan | Additional Script Supervisor |
| Gary Archer | Prosthetics |
| Christina Oh | Executive Producer |
| Jennifer Johnson | Costume Design |
| Tracey Landon | Producer |
| Andrew Dominik | Writer |
| Denna Thomsen | Choreographer |
| Jennifer Lame | Additional Editor |
| Andrea Norby | Additional Editor |
| John Paul Horstmann | Additional Editor |
| Travis McKay | ADR Mixer |
| Leslie Shatz | Sound Re-Recording Mixer |
| Leslie Shatz | Sound Designer |
| Andrea VanEpps | Stunts |
| Tracy Keehn-Dashnaw | Stunt Coordinator |
| Shauna Duggins | Stunt Coordinator |
| Kimberly Shannon Murphy | Stunt Double |
| Andrew Degryse | VFX Artist |
| Christopher Ferguson | Lighting Design |
| Kristan Berona | Extras Casting |
