विकास की प्रारंभिक अवस्थाओं में यह अफवाह फ़ैल गयी कि राकेश अपनी अगली फ़िल्म में नए चेहरों को लेने वाले हैं। यह भी बताया गया कि आमिर खान के भतीजे इमरान खान इस फ़िल्म में दिखाई देंगे, लेकिन बाद में यह पता चला कि यह बात "जाने तू या जाने ना" के बारे में हो रही है। कास्टिंग में बार बार परिवर्तन किये गए, पहले यह सुनने में आया कि ऋतिक रोशन मुख्य भूमिका निभाएंगे, उसके बाद रणबीर कपूर यहां तक कि अक्षय कुमार के बारे में भी सोचा गया, लेकिन उनके लिए इनकार कर दिया गया। राकेश ओमप्रकाश मेहरा ने कहा कि अभिषेक बच्चन "दिल्ली 6" के लिए हमेशा से उनकी पहली पसंद हैं। अभिषेक बच्चन के लिए डेट समस्या की वज़ह से फ़िल्म में देरी हुई, लेकिन अंत में अभिषेक ने ही फ़िल्म में मुख्य भूमिका निभायी. सोनम कपूर को अभिषेक बच्चन के सामने प्रमुख महिला पात्र के रूप में लिया गया। ऋषि कपूर और तनवी आज़मी ने भी इस फ़िल्म का एक हिस्सा हैं। 20 फ़रवरी 2009 को इसका फ़िल्मांकन हुआ। अमिताभ बच्चन ने रोशन के दादा की भूमिका निभायी, रोशन की भूमिका अभिषेक बच्चन ने निभायी, जबकि वहीदा रहमान ने रोशन की दादी की भूमिका निभायी. गुलशन ग्रोवर फ़िल्म में अभिषेक बच्चन के पिता हैं। फ़िल्म के लिए संपादन का काम मेघना अश्चित और राकेश की पत्नी भारती ने किया। एक साक्षात्कार में राकेश ने कहा कि वे संपादन में शामिल नहीं थे।

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