La miniserie cuenta con un amplio reparto que da vida a todos los personajes involucrados en la vida de la famosa, Marisol desde que era una niña llamada Pepa Flores hasta convertirse en una gran estrella infantil y luego como mujer.

De este modo, para dar vida a Marisol veremos a tres actrices, como son Teresa Hurtado de Ory, que da vida a Marisol en su etapa adulta, Elisa Pinilla (Sin tetas no hay paraíso) y Ana Mena que la interopretan en las etapas de adolescencia y niñez respectivamente.

Además, en la miniserie Marisol podemos ver a Jesús Noguero (Amar en tiempos revueltos), quien encarnará al coreógrafo Antonio Gades, Rafael Amargo que da vida a Antonio ‘El bailarín’, con quien Marisol mantuvo un noviazgo cuando ésta sólo tenía 16 años.

Por su parte, Roberto Álvarez -actor conocido por su participación en Ana y los 7, Hospital Central o la película Los Borgia- encarna al productor cinematográfico Manuel Goyanes, responsable del descubrimiento de la joven promesa. Mientras que la actriz Remedios Cervantes es la mujer del productor, quien juega un papel importante en el proceso de preparación que convirtió a Marisol en una estrella de la canción y el cine.