本作を語る上で欠かせないのが、Wの左半身を担う「ハーフボイルド」探偵・左翔太郎役の桐山漣と、右半身を担う「地球（ほし）の本棚」を持つ謎の魔少年・フィリップ役の菅田将暉のキャスティングです。
当時16歳、事務所に所属したばかりで演技経験が皆無に等しかった菅田将暉は、約2,000人規模のオーディションから抜擢されました。現場では東映の厳しい指導を受けながら、桐山漣が実生活でも兄貴分として徹底的にサポート。当時の制作日誌や対談記事でも、撮影合間に2人でセリフの掛け合いやポーズの角度をミリ単位で研究していたエピソードが明かされています。現在、日本を代表するトップ俳優となった菅田将暉は、のちのエランドール賞新人賞や日本アカデミー賞最優秀主演男優賞の受賞時など、公の場でも幾度となく「自分の原点は仮面ライダーWの現場にある」と敬意を表しています。
一方、子供の頃から「仮面ライダーになること」を公言していた桐山漣も、実力派俳優として映画、舞台、テレビドラマに引っ張りだこの活躍を続けています。SNSやインタビューでWの話題が出るたびに深い愛情を隠さず、ファンへの誠実な姿勢を崩していません。
ヒロインの鳴海亜樹子を演じた山本ひかるは、女優業に加えプロ雀士（RMU所属）としても活躍の幅を広げ、仮面ライダーアクセル／照井竜役の木ノ本嶺浩は確かな演技力で舞台・ドラマを中心に存在感を発揮しています。また、悪役組織「ミュージアム」の首領・園咲琉兵衛役を重厚に演じた名優・寺田農（2026年逝去）の怪演は、作品全体に映画並みの風格をもたらした決定打としてファンの心に刻まれています。
