Актрису на роль Нины искали дольше всех. В итоге утвердили Наталью Варлей, у которой даже не было актерского образования
В поисках нужного типажа Гайдай провел около 50 фотопроб. Среди претенденток были такие звезды, как Наталья Кустинская, Лариса Голубкина, Анастасия Вертинская, но режиссер не видел их в роли обаятельной студентки. Тогда ассистент режиссера вспомнила, что на Одесской киностудии снимается «хорошая цирковая девочка» Наталья. На тот момент 19-летняя Варлей действительно работала эквилибристкой в цирке. Вскоре ей направили телеграмму с просьбой «приехать на „Мосфильм“ на фото- и кинопробы», и она согласилась из чистого любопытства.
Во время проб режиссер спросил Варлей, может ли она сняться в купальнике, и она спокойно разделась перед камерами. Тогда вся съемочная группа удивилась и подумала, что девушка очень раскрепощенная, но они просто не учли, что для «цирковых» купальник — это рабочая одежда, можно сказать, униформа.
Позднее, отвечая на вопрос о том, зачем вообще нужно было раздевать главную героиню в кадре, Гайдай отвечал так:
«Брижит Бардо в купальнике выглядит талантливее, чем Фаина Раневская».
Видимо, режиссер имел в виду, что красивая женская фигура в кадре всегда привлекает внимание зрителя.
Так как у Варлей не было опыта в озвучивании фильмов, Гайдай решил, что будет лучше, если за нее это сделает профессиональная актриса. В итоге голосом Нины стала Надежда Румянцева, а песню про медведей исполнила певица Аида Ведищева. Сама Наталья сказала только одну фразу за весь фильм:
«Ошибки надо не признавать, их надо смывать кровью!»