वर्ष 2003 में संजय लीला भंसाली ने इस फिल्म के मुख्य किरदार के लिए सलमान खान और ऐश्वर्या राय को चुना था। जो उनकी फिल्म "हम दिल दे चुके सनम" में भी मुख्य किरदार में थे। पर बाद में उन्हें उन दोनों के बीच हुए मतभेद के कारण बदलना पड़ा। इसके बाद जुलाई 2003 में उन्होने करीना कपूर और रानी मुखर्जी को बाजीराव की पत्नी के पात्र के लिए चुना। भंसाली जी ने कॉफी विद करन में यह बताया की वे सलमान खान और करीना कपूर को इसलिए नहीं ले पाए क्योंकि वे पहले ही किसी अन्य फिल्म में कार्य कर रहे थे। कुछ लोगों में यह भी अफवाह थी की अजय देवगन की जगह शाहरुख ख़ान यह किरदार निभायेंगे। इसके अलावा इसमें ऋतिक रोशन और दीपिका पादुकोण रणवीर सिंह और कैटरीना कैफ के रहने की संभावना थी।

जुलाई 2014 में भंसाली जी ने सत्यापित किया की इस परियोजना में रणवीर सिंह और दीपिका पादुकोण (जो गोलियों की रासलीला रामलीला में भी थे।) को इस फिल्म में मुख्य किरदार चुना। साथ ही प्रियंका चोपड़ा भी बाजीराव की पत्नी का किरदार निभाएँगी। भंसाली जी ने दक्षा सेठ को उन्हे तैयार करने की ज़िम्मेदारी दी। रणवीर सिंह इस फिल्म के लिए मराठी भाषा और घुड़सवारी सीखेंगे। इस फिल्म में अपने दमदार किरदार के लिए रणवीर अपना वजन भी बढ़ाएँगे। इसी के साथ प्रियंका चोपड़ा भी 15 दिनों तक मराठी शिक्षा ग्रहण करेंगी।

सितम्बर 2014 में भंसाली जी ने सत्यापित किया की तन्वी आज़मी बाजीराव की माँ की भूमिका निभाएँगी। इसमें सुखदा खंडकेकर बाजीराव की बहन के किरदार और महेश मांजरेकर मराठा राजा की भूमिका निभायेंगे। जनवरी 2015 में वैभव तत्ववादी बाजीराव के छोटे भाई के किरदार के लिए चुने गए।

कहानी
पात्र चुनाव (कास्टिंग)
निर्माण
फिल्मांकन