На роль Яшки-цыгана был приглашен Василий Васильев (родился 1 января 1950 года). В то время он вместе с тринадцатью братьями и сестрами жил в городе Вязники Владимирской области, учился в 9-м классе, совмещая учебу с работой на ткацкой фабрике и, главное, был очень талантлив: уже тогда вел в школе танцевальный и хоровой кружки. А близким приятелем его был студент Щукинского училища Юрий Цурило, который в те дни снимался на "Мосфильме" в комедии Юрия Чулюкина "Королевская регата". Он услышал, что Кеосаян ищет талантливого цыганенка, и посоветовал его помощнику Владимиру Селезневу посмотреть братьев Васильевых. И трех братьев (в том числе и Васю) пригласили на пробы. Стоит отметить, что на эту роль претендовало порядка восьми тысяч человек, причем не только юношей, но и девушек. Поэтому, приехав в Москву, братья особенно и не надеялись на то, что возьмут кого-то из них. Но все получилось вопреки их сомнениям: едва они вернулись в свои Вязники, как одному из них — Васе — тут же пришла телеграмма из Москвы, что он утвержден на роль.
Актрису на роль сестры Даньки Ксанки Шусь нашли в спортзале "Крылья Советов". Это была кандидатка в мастера спорта по спортивной гимнастике 14-летняя Валя Курдюкова. Как и у двух других "мстителей", родители ее были простыми людьми: папа — строитель, мама работала билетером в кинотеатре "Слава", что на шоссе Энтузиастов. Однажды мама сделала почти мистическое предсказание. Валя вечером сильно разбаловалась, на что мать сказала: "Тебе только в кино сниматься!" На следующий день дочь пошла в свою секцию художественной гимнастики, где к ней подошел неизвестный мужчина: "Не могли бы вы подъехать на "Мосфильм" попробовать себя в одной роли?" А кто из подростков не мечтает сниматься в кино, да еще на самом "Мосфильме"? Прихватив для храбрости подругу, Валя приехала на киностудию. Там ее поставили рядом с Витей Косых, чтобы увидеть сходство — по фильму они должны были играть брата и сестру. Видимо, сходство было большим, поскольку ее утвердили практически сразу. Кроме того Валя в избытке обладала всеми необходимыми для роли качествами: была очень спортивна, контактна и, главное, похожа на мальчишку. А ведь первоначально Кеосаян задумывал сделать так, чтобы никто (кроме брата Даньки) не знал, что Ксанка девчонка. Все должны были считать ее мальчишкой по имени Степка. И лишь потом Яшка случайно оказывался свидетелем ее купания в речке, после чего тайна раскрывалась. Но от этого хода пришлось отказаться, так как "обнаженка" явно не вписывалась в ритм картины.
14 апреля 1966 года художественный совет "Юности" отсмотрел кинопробы на детские и взрослые роли. Мнения во время обсуждения разделились, о чем наглядно свидетельствует стенограмма заседания.
А. Зархи (режиссер): "Группа стоит на правильном пути. Детская команда собрана хорошая… Все актеры работают мило, но это не высший класс. Относительно Лютого — один лучше, другой хуже, но это тоже не высший класс (на роль Сидора Лютого пробовались два актера: Ефим Копелян и Лев Поляков. — Ф. Р.). Копелян лучше других, правдивее. Может быть, стоит подумать о Петре Глебове?..".
Р. Быков (актер, режиссер): "Мне пробы понравились. Понравились ребята. Копелян лучший Лютый… Но очень сильно проглядывает театральность. И это большая опасность для режиссера. Особенно это относится к Лютым и к Вите Косых. Они приукрашены, слишком героизированы. Я бы взял на роли Лютого и Бурнаша непрофессиональных актеров…"
Л. Голубкина (редактор): "Мне пробы не очень понравились. От ребят у меня впечатление детского сада. Слишком слащавы они. Многие сцены при этих исполнителях провиснут…"
Л. Цицина (редактор): "У Косых и Метелкина есть отпечаток того, что они уже снимались в кино. Нужно выбивать это у них. Принцип в определении лучшего Лютого неправилен. Копелян слишком достоверный и пожилой. Он не из этого фильма…"
Ю. Солдатенко (руководитель объединения): "Я согласен, что нужно просить Быкова играть Бурнаша. И если Быков будет играть, то ни один из представленных актеров на роль Лютого не подходит. По рисунку больше подходит Поляков, хотя актерски он плох…"
А. Хмелик (сценарист): "Лютый у актеров получается слишком всерьез, а он дурак. Добронравов снимает "Стряпуху". Все дети красивенькие, приглаженные, прилизанные. Режиссер заставляет делать Косых и Метелкина то, что им несвойственно. Поэтому они плохо играют…"
Несмотря на столь противоречивые высказывания, худсовет большинством голосов утвердил всю четверку "дьяволят", а на роль Лютого Ефима Копеляна.
Е. Копелян родился 12 апреля 1912 года. В 1935 году окончил студию при Ленинградском БДТ и был зачислен в труппу этого театра. В кино стал сниматься с 1932 года и долгое время был известен как мастер небольших ролей: поп Гапон в "Прологе" (1956), Серго Орджоникидзе в "Кочубее" (1958), Налбандов во "Время, вперед!" (1966). В "Неуловимых" первоначально главным злодеем должен был стать батька Махно (фильм даже собирались назвать "Красные дьяволята из Гуляй-Поля"), поэтому кандидатура Копеляна даже не возникала (он на Махно внешне не тянул). Но затем вместо Махно появился Лютый, и Кеосаян загорелся идеей снять в этой роли своего земляка Копеляна (даже специально ездил к нему в Ленинград уговаривать сниматься). Худсовет утвердил в этой роли Копеляна, однако сам Кеосаян внезапно стал сомневаться в своем кандидате: он понял, что тот действительно староват для такой роли. Поэтому после того, как Ролан Быков отказался играть Бурнаша, эта роль досталась Копеляну. А на роль Лютого пригласили более молодого актера Владимира Трещалова.