В картине три главных действующих лица. Врач-нейрохирург и учёный Пётр, вдруг бросивший науку и «бежавший» в Швецию, проработавший там какое-то время врачом при посольстве и теперь вернувшийся на родину. Человек импульсивный, готовый на неожиданный и даже эпатажный поступок, не вписывающийся в административно-бюрократическую систему, каковую никак не обойти, если работаешь в советском учреждении, хотя бы и научном. Вернувшись из Швеции, он приходит в управление в надежде, что его снова примут на работу, но начальник, от которого зависит его судьба (в этой роли снялся Олег Ефремов), начинает зачем-то декламировать с иронической интонацией объяснительную записку Петра, полагая, видимо, что этим он «воспитывает» сбившегося с правильного пути посетителя. В ответ Пётр, что называется, просто хлопнул дверью. Это в фильме, а в сценарии он даже не зашёл в кабинет к начальнику. А затем — и в сценарии, и в картине — сорвался и уехал в глубинку, где стал работать простым врачом. Как нередко бывает в шпаликовских сценариях, в этом поступке есть что-то от характера самого автора. Шепитько хотела снять в этой роли, по её собственному выражению, «актёра, похожего по своему актёрскому обаянию на В. Высоцкого». В одном из писем к ней по сравнению с уже цитированным нами более позднем (даты в нём нет), написанном из Болшева, Гена пишет: «…я дал сценарий Володе Высоцкому — режиссёрский, который у меня оставался. Разумеется, — сама у него узнаешь, безо всяких предварительных заверений — для прочтения на всякий случай. Он тебе позвонит». Высоцкий действительно пробовался на эту роль, но что-то у Ларисы с ним не сложилось. И начальство его, автора «сомнительных песенок», всегда тормозило (хотя само потихоньку охотно слушало), да и Володя был вечно занят театром, кино, песенными своими выступлениями: страна жаждала слышать его и видеть, у него уже была к этому времени огромная популярность, пришедшая в обход издательств, прессы, телевидения… Пробовались и другие замечательные актёры: Георгий Тараторкин, Сергей Шакуров, Леонид Филатов. Сыграл же Петра в итоге Леонид Дьячков, работавший в ту пору в Театре им. Ленсовета и однажды уже снявшийся у Шепитько (в «Крыльях»). Если сравнивать его с Высоцким, то Дьячков по своему темпераменту заметно мягче. Киновед Валерий Фомин считает, что отданное Дьячкову предпочтение перед другими актёрами было ошибкой Шепитько. Не знаем… Может быть, на творческом результате сказались некоторые компромиссы, на которые Ларисе всё же приходилось идти ради того, чтобы фильм всё-таки был снят и вышел на экран; в этом она признавалась позже сама.
Любопытно, что Дьячкова Лариса изначально собиралась снимать в другой роли — Саши, бывшего коллеги и друга Петра. Но Сашу сыграл Юрий Визбор. Визбор не был профессиональным актёром и «победил» на пробах у Шепитько таких звёздных конкурентов, как Юозас Будрайтис, Виталий Соломин, Олег Борисов, Олег Даль. Впервые он оказался на киносъёмках благодаря Марлену Хуциеву, неожиданно пригласившему барда сыграть одну из главных ролей в «Июльском дожде». Вслед за этим Визбор, приглянувшийся кинематографистам, снялся несколько раз в ролях разного уровня. Прославившая его как актёра роль Бормана в «Семнадцати мгновениях весны» была ещё впереди. К своей работе в кино он относился не слишком серьёзно: съёмки занимали его как ещё одна форма творческой жизни, и поскольку он был талантливым «многостаночником» (поэт, бард, прозаик, драматург, журналист), то у него хорошо получалось работать и на съёмочной площадке. Была в активе Визбора-актёра ещё и снятая на «Ленфильме» любопытная короткометражка «Рудольфио» Динары Асановой, в ту пору пока студентки-дипломницы, по одноимённому рассказу Валентина Распутина, где Визбор раскрылся как психологический актёр, сыграв героя, которого можно охарактеризовать уже известной нам формулой: «русский человек на рандеву». Возможно, Шепитько увидела эту работу, и это предопределило выбор актёра на роль Саши. В фильме «Ты и я» Визбору предстояло играть нечто похожее, но глубже и драматичнее.