SF超大作にふさわしく、豪華キャストが集められました。
主人公ポール・アトレイデスに当時新人のカイル・マクラクラン。『砂の惑星』のあともデビッド・リンチ監督作『ブルー・ベルベット』(1986年)、テレビドラマ『ツイン・ピークス』(1990年~1991年)とその映画化『ツイン・ピークス/ローラ・パーマー最後の7日間』(1992年)に出演。『ツイン・ピークス』の大ヒットで日本でもブレイクしました。ほかに『ヒドゥン』(1987年)。最近も『ツイン・ピークス』の25年ぶりの続編テレビドラマ『ツイン・ピークス The Return』(2017年)に同じデイル・クーパー捜査官役で出演しています。
レト・アトレイデス公爵に『U・ボート』(1981年)、『対決』(1990年)、『ジャッジ・ドレッド』(1995年)のユルゲン・プロホノフ。レディ・ジェシカに『銀河伝説クルール』(1983年)のフランチェスカ・アニス。
カインズ博士に『第七の封印』(1956年)、『フラッシュ・ゴードン』(1980年)、『コナン・ザ・グレート』(1982年)などの名優マックス・フォン・シドー。2000年以降も『マイノリティ・リポート』(2002年)、『スター・ウォーズ/フォースの覚醒』(2015年)などで活躍しました。カインズ博士の娘でポールの恋人となるチャニに『ブレードランナー』(1982年)、『追いつめられて』(1987年)、『アパッチ』(1990年)のショーン・ヤング。
アトレイデス家の副官ダンカン・アイダホに『レイズ・ザ・タイタニック』(1980年)、『レッド・オクトーバーを追え!』(1990年)のリチャード・ジョーダン。同じくアトレイデス家の副官ガーニイ・ハレックに『エクスカリバー』(1981年)のパトリック・スチュワート(当時は、デビッド・スチュワート)。パトリック・スチュワートは、このあと、テレビドラマ『新スタートレック』(1987年~1994年)のピカード艦長役で人気を博します。また、『X-MEN』シリーズ(2000年~2017年)のプロフェッサーX役も当たり役になりました。アトレイデス家のメンタート(人間コンピュータ)のスフィル・ハワトに『エレファント・マン』(1981年)、『ファイヤーフォックス』(1982年)のフレディ・ジョーンズ。アトレイデス家の医師ウェリントン・ユエに『パリ、テキサス』(1984年)、『ブルー・ベルベット』(1986年)のディーン・ストックウェル。アトレイデス家の侍女シャダウト・メイプスに『危険な年』(1982年)、『シルバラード』(1985年)、『キンダガートン・コップ』(1990年)のリンダ・ハント。フレーメンのリーダー・スティルガーに『人類創生』(1981年)、『暴走特急』(1995年)のエヴェレット・マッギル。エヴェレット・マッギルもこのあと、テレビドラマ『ツイン・ピークス』(1990年~1991年)のレギュラーになります。
ポールの宿敵ウラディミール・ハルコネン男爵に『サブウェイ・パニック』(1974年)、『ラグタイム』(1981年)のケネス・マクミラン。男爵の甥でラストでポールと一騎打ちすることになるフェイド・ラウサをミュージシャンのスティングが演じているところも見どころの一つです。ハルコネン家のメンタート(人間コンピュータ)のパイター・ド・ブリースに『カッコーの巣の上で』(1975年)、『チャイルド・プレイ』シリーズ(1988年~2017年)、『エイリアン4』(1997年)、『ロード・オブ・ザ・リング/二つの塔』(2002年)のブラッド・ドゥーリフ。ハルコネン家の親衛隊員ネフドに『イレイザー・ヘッド』(1977年)、『ブルー・ベルベット』(1986年)などデビッド・リンチ監督作の常連ジャック・ナンス。
そして、シャダム4世大王皇帝を『シラノ・ド・ベルジュラック』(1950年)、『ケイン号の叛乱』(1954年)、『アラビアのロレンス』(1962年)などの名優ホセ・ファーラーが演じ、またフレーメンの教母ラマロを『にがい米』(1949年)、『バラバ』(1962年)、『華やかな魔女たち』(1967年)などの名女優シルヴァーナ・マンガーノが演じていて、これら大ベテランが脇を固めています。シルヴァーナ・マンガーノは、『砂の惑星』のプロデューサーのディノ・デ・ラウレンティスの妻です。
映画の語り部ともいうべき、シャダム4世大王皇帝の娘のイルーラン姫に『エレクトリック・ドリーム』(1984年)で注目されたヴァージニア・マドセン。ヴァージニア・マドセンは、2000年以降も『サイドウェイ』(2004年)、『庭から昇ったロケット雲』(DVDタイトル: 『アストロノーツ・ファーマー/庭から昇ったロケット雲)』)(2007年)などで活躍しています。
新人からベテランまで、オールスターキャストになっています。