主演のメーテル役は栗山千明、鉄郎役は前田旺志郎が演じる。また6月より上演される「銀河鉄道999 40周年記念作品 舞台『銀河鉄道999』～GALAXY OPERA～」と同じく、クイーン・エメラルダス役に凰稀かなめ、機械伯爵役に染谷俊之がキャスティングされた。このほか大山トチロー役は橋本じゅん、アンタレス役は宇梶剛士が務め、製作チームにはザ・ワークスが参加。また劇中では壮大な世界観を表現するため、CGが多用されるという。 放送に先立ち、栗山と前田への合同取材が行われた。メーテル役への起用に栗山は「正直驚きました」とコメント。「メーテルは私にとっても憧れですし、誰もが憧れるキャラクター。うれしいと共に、やはり本当に多くのファンの方々がいらっしゃるので、ご期待に沿えるようにがんばらなきゃなと思っています」と緊張した表情を見せつつ、「思いを内に秘めている切なさや葛藤をうまく表現できたら」と意気込み