Regia di David Leitch vedi scheda film
A dirigere Atomica bionda è il regista statunitense David Leitch, il cui debutto cinematografico è legato a John Wick, titolo codiretto con Chad Stahelski che ha saputo conquistare critica e pubblico tanto da meritarsi un seguito (di cui Leitch è stato produttore esecutivo). Prima di divenire regista, Leitch ha lavorato per decenni nell'universo delle controfigure prestando il proprio corpo ad attori come Matt Damon e Brad Pitt in film come Bourne Ultimatum, Fight Club e Mr. & Mrs. Smith. Esperto di arti marziali, ha coordinato anche diverse sequenze di successi commerciali come Wolverine, Captain America: Civil War e Jurassic World.
Protagonista principale di Atomica bionda nei panni di Lorraine Broughton è Charlize Theron, l'ex modella premio Oscar come miglior attrice protagonista per Monster. Lorraine è una donna abituata a sopravvivere a tutti i costi. Agente segreto del MI6, è considerata da tutti come l'ultima indomabile guerriera in grado di mixare esperienza, sensualità, fantasia e muscoli. Per la sua missione a Berlino, più pericolosa di quanto immagini, deve affidarsi all'istinto e alla sua forza di resistenza per uscire viva dal mondo violento (pronto a esplodere) che l'attende. Grazie all'esperienza, Lorraine vive una sorta di cambiamento emotivo che le permetterà di riscoprire le proprie emozioni dopo essere stata testimone delle peggiori nefandezze dell'umanità.
A Berlino, Lorraine trova la collaborazione di David Percival, portato in scena da James McAvoy, il protagonista di Split. Sorta di cane sciolto dal particolare talento e temperamento, David è a capo di una stazione berlinese del MI6 ed essenzialmente è abituato ad agire da solo, senza l'aiuto di nessuno e lontano dallo sguardo attento di Londra. Si diverte anche a tenere in piedi una fitta rete di contatti su entrambi i lati del Muro grazie alla sua attività di commercio illegale. In un primo momento, David vede l'arrivo di Lorraine come una minaccia ma pian piano diventerà il suo unico alleato in città.
A tenere sott'occhio i due ci pensa in primo luogo Emmett Kurzfeld, impersonato da John Goodman. Attore feticcio dei fratelli Coen, Goodman così spiega il suo personaggio: "Kurzfeld è un agente della CIA che fa parte della missione congiunta con il MI6 per recuperare il dossier filmato che potrebbe mettere in pericolo le vite degli agenti occidentali qualora cada nelle mani sbagliate. A Berlino, ha il compito di capire la verità in un mondo popolato da gente che mente, indossa maschera e assume false identità". Corrispettivo inglese di Kurzfeld è Eric Gray, ispettore del MI6 con il volto dell'attore Toby Jones.
Spyglass, l'uomo che detiene il dossier e che sceglie di tradire il suo governo in cambio di una sistemazione a Berlino Ovest, ha invece il volto dell'attore britannico Eddie Marsan. A voler mettere le mani sul dossier è anche Aleksander Bremovych, un agente del KGB supportato da Roland Møller. Bremovych è uno dei pochi a capire che la caduta del Muro causerebbe anche il crollo del prestigioso dell'Unione Sovietica: per lui, prendere il dossier prima degli avversari della CIA e del MI6 diventa quindi una questione di sopravvivenza, onore e ordine. Ancora più idealistiche sono le ragioni che muovono Delphine Lasalle, la spia francese alla sua prima vera esperienza sul campo giocata dall'attrice di origine algerina Sofia Boutella. Delphine cerca rifugio ed eccitazione a Berlino, dove rimane affascinata dalla contagiosa energia e dall'ottimismo dei movimenti per la libertà.
Il cast principale di Atomica bionda è poi completato da Til Schweiger, popolare attore e regista tedesco, nel ruolo dell'Orologiaio.
