С начала съемок актерский состав фильма менялся несколько раз. На роль Алеши Корсака пробовался Юрий Мороз, но ему пришлось отказаться от работы в фильме из-за экзаменов на режиссерских курсах. Вместо него Дружинина пригласила Дмитрия Харатьяна. Определяющим моментом послужило еще и то, что Дружининой очень понравилось, как Харатьян поет, — и в фильме он единственный из гардемаринов сам исполняет песни, и не только за себя, но и за Сергея Жигунова, сыгравшего Сашу Белова. За Владимира Шевелькова, сыгравшего Никиту Оленева, поет Олег Онофриев; за Татьяну Лютаеву, снимавшуюся в роли Анастасии Ягужинской, поет Елена Камбурова. А сводный хор гардемаринов — это группа «Доктор Ватсон"

В роли Саши Белова должен был сниматься Олег Меньшиков, но после того, как из фильма ушел Юрий Мороз, предполагаемый актерский ансамбль развалился, и Дружининой пришлось искать нового актера и на эту роль. Сергей Жигунов в то время только закончил театральное училище, он уже снимался в кино, но не сыграл ни одной заметной роли, и участие в фильме о гардемаринах стало поистине его звездным часом.  Во время съемок актера призвали в армию, и чтобы снова не лишиться одного из исполнителей главных ролей, Жигунова пришлось пристроить в кавалерийский полк, откуда его с легкостью отпускали на съемки. К тому же за время несения службы Сергей научился отлично скакать на лошади, что очень ему пригодилось. А вот армейского обычая быть стриженным «под ноль» актеру избежать не удалось, и в середине съемок Саша Белов лишился шикарной шевелюры — в некоторых сценах его кудри заменяет парик.  Дружинина так сожалела, что гардемарина Белова не смог сыграть Олег Меньшиков, что пригласила его озвучивать эту роль, и Меньшиков с удовольствием согласился, подарив возлюбленному прекрасной Анастасии Ягужинской романтичный и волнующий голос.

Владимир Шевельков попал на съемки позже всех, когда стало окончательно известно, что сын Дружининой сниматься в роли Никиты Оленева не будет. Принять предложение Дружининой Шевелькова уговорили Жигунов и Харатьян: «Давай соглашайся. Актеры хорошие подбираются. В самом деле — давай приезжай, а то еще неизвестно, кого нам подсунуть могут». Шевельков оказался единственным из гардемаринов, кто остался недоволен своим участием в фильме — роль Никиты Оленева он считает своим актерским провалом, несмотря на то, что его персонаж очень полюбился зрителям. «Считаю картину не очень удачной, а свое участие в ней — случайным, — говорит актер. — «Гардемарины» мне лично пользы не принесли и на моей актерской карьере в определенной степени поставили крест: серьезных ролей после подобных работ не предлагают». Понятно, что и с Дружининой у Шевелькова отношения не сложились, и когда та задумала снимать продолжение фильма, на роль третьего гардемарина она пригласила другого актера. Чтобы как-то объяснить зрителям, куда пропал обаятельный Шевельков, была придумана сцена, где выяснялось, что теперь не сам Никита Оленев, а его брат будет участвовать в приключениях гардемаринов. Но зрителям замена явно не понравилась, и возможно, именно тот факт, что великолепная троица распалась, послужил одной из причин того, что фильм «Виват, гардемарины!», вышедший в прокат в 1991 году, уже не имел большого успеха.

Татьяна Лютаева, сыгравшая Анастасию Ягужинскую, как и Жигунов, пришла на съемочную площадку прямо со студенческой скамьи, едва получив диплом ВГИКа. И первая же роль в кино сделала ее знаменитой. После выхода фильма на экраны мужчины не уставали признаваться Татьяне в любви — и не только в письмах, но и на улице совершенно не давали прохода. Такое внимание актрисе, безусловно, было приятно, но шансов у поклонников не было. Уже на момент съемок фильма Лютаева ждала ребенка, и в некоторых эпизодах картины она снималась уже будучи на последних месяцах беременности. Правда, благодаря пышным платьям это незаметно.

В книге шевалье де Брильи — довольно несимпатичный и унылый человек, но персонаж, который создал на экране Михаил Боярский, получился настолько ярким и обаятельным, что многие зрители недоумевали, почему Анастасия Ягужинская предпочла ему какого-то гардемарина. На съемках с Боярским произошел забавный случай: за актерами даже в глухих лесах постоянно следовала большая группа поклонников, зачастую мешавших работать. Когда снимали знаменитую сцену в бане, откуда де Брильи должен был выскочить голым, зевак постарались разогнать, но это оказалось невозможным — те сумели спрятаться за кустами. Так случилось, что именно на них выскочил голый Боярский, увидел и — с хохотом помчался обратно на съемочную площадку, где, кстати говоря, тоже находились дамы, которым спешно пришлось отвернуться.