• Paul Reubens como Pee-wee Herman, um agricultor e cientista excêntrico e infantil que vive em uma fazenda nos arredores de uma pequena cidade rural.
• Kris Kristofferson como Mace Montana, o proprietário, operador e mestre de cerimônias do Circo Cabrini, que vai parar na fazenda de Pee-wee após uma enorme tempestade.
• Susan Tyrrell como Midge Montana, a esposa extremamente pequena de Mace, que muitas vezes lidera os membros do circo quando o marido não está por perto.
• Valeria Golino como Gina Piccolapupula, uma trapezista do circo de Montana, por quem Pee-wee se apaixona.
• Penelope Ann Miller como Winnie Johnson, professora e ex-noiva de Pee-wee.
• Wayne White como a voz de Vance, o porco falante de Pee-wee.
• Albert Henderson como o Sr. Ryan, dono de uma loja para idosos.
  • Kevin B. Kaplowitz como o jovem Sr. Ryan
• Jack Murdock como Otis
  • Jeffrey R. Shaw como Otis (jovem)
• David Byrd como Deke
  • Dustin Diamond como Deke (jovem)
• Frances Bay como a Sra. Haynes
  • Savannah Prue como Sra. Haynes (jovem)
• Mary Jackson como Sra. Dill
  • Lisa M. Ball como Sra. Dill (jovem)
• Leo Gordon como Joe, o ferreiro local.
• Anne Seymour como Pearl

Marie Hawkins Pearl (jovem)

• Kenneth Tobey como Xerife

Shea Joachim como Xerife (jovem)

• Jay Robinson como Cozinheiro
• Eve Smith como Bunny, uma garçonete idosa.
• Andrew Shalat como Paolo Piccolapupula, membro acrobata dos Irmãos Piccolapupula e um dos irmãos de Gina.
• Mihaly 'Michu' Meszaros como Andy, o anão
• Franco Columbu como Otto, o homem forte
• Terrence Mann como Snowball, um palhaço de circo
• Vance Colvig como Clownie, um palhaço de circo
• Matthias Hues como Oscar, o domador de leões.
• Benicio del Toro como Duke, o menino com cara de cachorro.
• Kevin Peter Hall como Big John, o homem alto.
• Lynne Marie Stewart como Zelda, a senhora barbada.
• John Sherrod como Del, o homem-bala.
• Joey Arias como Shim, o metade homem, metade mulher.
• Helen Infield Siff como Ruth, metade das gêmeas siameses.
• Carol Infield Sender como Dot, a outra metade das gêmeas siameses.
• Bunny Summers como Ruby, a figurinista do circo.
• Stephanie Hodge como Judy, a sereia do circo.
• April Tatro como Trisha, uma contorcionista que trabalha como o "pretzel humano".
• Carla Drake como Comedora de Fogo
• Joe Gibb como Palhaço de Roustabout
• Randal Kleiser faz uma participação não creditado como um vendedor de pipoca.