Además de los protagonistas reseñados, también encontramos un magnífica elenco de secundarios, muchos de ellos británicos: Toby Jones ('Luces rojas'), Jim Carter ('Downton Abbey'), Dominic Cooper ('Tamara Drewe), Judi Dench ('Iris') o Derek Jacobi ('El amor es el demonio').
En el reparto también destaca la presencia de Emma Watson. Se trata del primer papel que la joven actriz acomete después de diez años dedicada casi íntegramente a la saga de 'Harry Potter'. En 'Mi semanas con Marilyn' interpreta a Lucy, la asistente de vestuario de la gran diva que interpreta Michelle Williams. La actriz tiene pendiente de estreno otros dos filmes: 'The Perks of Being a Wallflower' y 'Your Voice in My Head'.
Las escenas que recrean el rodaje de 'El príncipe y la corista' en 'Mi noche con Marilyn', fueron los mismos que los utilizados por Laurence Olivier para rodar la película original en 1957.
La actriz Michelle Williams consiguió el Globo de Oro a la Mejor Actriz de Comedia o Musical en los Globos de Oro de 2012 por su papel en 'Mi noche con Marilyn'.
Kenneth Branagh interpreta a Laurence Olivier en 'Mi noche con Marilyn'. Branagh y Olivier tienen en común su pasión por William Shakespeare, ya que ambos han dirigido e interpretado sus obras. Es el caso de 'Othelo', 'Hamlet' o 'Enrique V'. En sus respectivas versiones sobre 'Hamlet' y 'Enrique V', interpretaron los principales personajes, mientras que sir Laurence Olivier fue 'Othelo' en la versión de 1965, y Branagh fue Yago en su película de 1995. Oliver dirigió e interpretó 'Ricardo III', mientras que Branagh protagonizó una versión radiofónica de la obra. Todavía más, Olivier interpretó a Orlando en la versión de 1936, titulada 'Como gustéis', mientras que Branagh dirigió (pero no apareció en ella), la versión de la obra en 2006. Olivier también protagonizó la película 'La huella', y Branagh dirigió el remake de esta película en 2007.
Después de que Catherine Zeta-Jones declinara el proyecto, la siguiente escogida para interpretar a Vivien Leigh en 'Mi semana con Marilyn', fue Rachel Weisz. Sin embargo, la actriz estaba filmando tres películas casi al mismo tiempo (con Terrence Malick, con Lynn Shelton y 'The Deep Blue Sea'), por lo que el papel recayó, ahora sí, en Julia Ormond.
Muy a menudo comparada con icono de los años 50, Scarlett Johansson fue propuesta para encarnar a la estrella de 'Mi noche con Marilyn'. Pero a pesar del entusiasmo de sus grandes admiradores, la actriz fetiche de Woody Allen no se mostró interesada en el papel.
Antes de atribuirle el papel a Julia Ormond (que interpreta a Vivien Leigh), la productora le propuso el papel a Catherine Zeta-Jones. La actriz declinó la oferta, con el fin de pasar más tiempo con su marido, Michael Douglas, que se encontraba convaleciente en el momento del rodaje de la película (el actor había sido operado de un cáncer de garganta en 2010).
El primer trailer de la película fue proyectado en el Festival de Cannes 2011 por Harvey Weinstein, productor ejecutivo de la película.