Regia di James Gray vedi scheda film
A dirigere Ad Astra è James Gray. Regista e sceneggiatore statunitense, Gray ha esordito nel 1994 a soli 25 anni con il noir Little Odessa, che alla Mostra del Cinema di Venezia ha rimediato il Leone d'Argento e la Coppa Volpi per la migliore attrice (Vanessa Redgrave). Sei anni dopo, ha portato a Cannes The Yards ma ha deluso le aspettative di chi sperava in un secondo exploit. Paragonato spesso a Scorsese, Gray è costretto ad attendere altri sette anni prima di portare nuovamente al festival di Cannes la sua terza opera: I padroni della notte. Mentre nel 2008 si è cimentato con il dramma sentimentale Two Lovers (ispirato a Dostoevskij), nel 2013 si è ripresentato nuovamente a Cannes con C'era una volta a New York, melodramma dalle grandi aspettative deluse (non a caso il film, distribuito in America dall'allora potente produttore Harvey Weinstein, è stato rimaneggiato più volte prima del suo arrivo nelle sale). Non particolarmente fortunata si è rivelata poi l'esperienza di Civiltà perduta, l'avventurosa storia dell'esploratore Percy Fawcett.
Protagonista principale di Ad Astra nei panni del maggiore Roy McBride è l'attore Brad Pitt, reduce dalle fatiche di C'era una volta a... Hollywood e War Machine. Ha sottolineato il regista sul personaggio: "Ho visto Roy come un'estensione di praticamente tutti quelli che conosco, incluso me stesso: è un uomo diretto da qualche parte ma non sicuro di quale sia la sua destinazione. Classico uomo che pensa di sapere ciò che vuole, si renderà conto di come nella sua vita manchi qualcosa di importante, di come ci sia un buco emotivo da riempire e di come non sia in grado di renderlo manifesto. Ad Astra racconta come riempire quel buco, quel senso di solitudine che ci pervade tutte le volte che non riusciamo a stabilire relazioni umane. Roy, pur incontrando altre persone, non si interessa alla loro realtà, si sente vivo solo quando è nello spazio e sembra quasi allontanarsi dagli affetti che contano, inclusa la donna che ama, Eve, portata in scena da Liv Tyler (lanciata da Bertolucci in Io ballo da sola).
Il buco nella vita di Roy è stato causato dalla mancanza del padre Clifford, il cui abbandono forzato lo ha segnato per sempre. Ed è per il padre che Roy accetta una pericolosa missione che lo porta ai confini del sistema solare. Ispirato alla figura dell'Achab di Melville (Gray non ha mai nascosto di essere un grande fan di Moby Dick), Clifford era un uomo (tanto vanitoso quanto determinato) ossessionato dal suo lavoro e dal desiderio di trovare quelli alieni che gli avrebbero fornito le risposte che cercava. A impersonarlo è Tommy Lee Jones, premio Oscar per Il fuggitivo.
A rappresentare un punto di svolta nella vita di Roy è però senza dubbio l'incontro con Helen Lantos, una donna che ha trascorso tutta la sua vita su Marte in un'abitazione sotterranea. Helen è un po' il suo contraltare: anche lei orfana per colpa del Progetto Lima, ha nutrito da allora dolore e rabbia ma non per questo si è emotivamente alienata. Helen ha il volto di Ruth Negga, già al fianco di Pitt in World War Z.
Parte della vera natura di suo padre viene mostrata a Roy dal colonnello Pruitt, un astronauta che un tempo è stato amico di Clifford. Compagno di viaggio di Roy, Pruitt è giocato da Donald Sutherland, premio Oscar alla carriera nel 2018 (per i suoi oltre 180 film).
Il cast principale di Ad Astra è poi completato dagli attori Donnie Keshawarz, Loren Dean, Kimberly Elise e Bobby Nish, interpreti dei membri dell'equipaggio del Cepheus: il capitano Lawrence Tanner, il vice Donald Stanford, la geologa Lorraine Deavers e il medico Franklin Yoshida.
