Casting W sierpniu 2014 roku poinformowano, że Chris Pratt powtórzy rolę Petera Quilla. W listopadzie poinformowano, że powrócą: Dave Bautista jako Drax, Zoe Saldaña jako Gamora, Karen Gillan jako Nebula, Sean Gunn jako Kraglin, Michael Rooker jako Yondu oraz Bradley Cooper i Vin Diesel jako głosy Rocketa i Groota. Diesel, który w pierwszej części podłożył głos Groota w 6 wersjach językowych, w drugiej użyczył go w 16 językach. W październiku 2015 roku do obsady dołączyła Pom Klementieff jako Mantis. W grudniu poinformowano, że rozpoczęto rozmowy z Johnem C. Reillym dotyczące powtórzenia roli Rhomanna Deya oraz negocjacje z Kurtem Russellem dotyczące roli ojca Quilla.
W styczniu 2016 roku, po śmierci Davida Bowiego, James Gunn wyjawił, że rozmawiał z muzykiem na temat jego cameo w filmie. W lutym do obsady dołączyli Elizabeth Debicki, Chris Sullivan, Tommy Flanagan, Steve Agee i Sylvester Stallone oraz potwierdzono udział Russella. W kwietniu 2016 roku Gunn poinformował, że Reilly i Benicio del Toro nie powrócą w drugiej części. W lipcu do obsady dołączyli Stephen Blackehart jako Brahl, Jimmy Urine jako Half-Nut, Terrence Rosemore jako Narblik, Joe Fria jako Oblo, Evan Jones jako Wretch i Mike Escamilla jako Scrote. W kwietniu 2017 roku Gunn wyjawił, że w roli cameo miał pojawić się Nathan Fillion jako Simon Williams, ale zdecydowano się wyciąć tę scenę z filmu.
Zdjęcia i postprodukcja