Schwarzenegger bắt đầu quan tâm đến việc tái hiện vai diễn của mình sau khi nhận thấy nhân vật này phức tạp và dễ đồng cảm hơn so với phần phim trước. Để khắc họa chính xác một cỗ máy không biết sợ hãi và vô cảm, ông đã chăm chỉ tập luyện cùng với điều phối viên cảnh nguy hiểm Joel Kramer nhằm không bị ảnh hưởng bởi lửa và các vụ nổ xảy ra xung quanh mình. Schwarzenegger đã nhận được khoản thù lao từ 12–15 triệu USD cho vai diễn này. Carolco từng bị chỉ trích vì đã đẩy mức lương dành cho các diễn viên lên quá cao, đặc biệt là sau khi trả Schwarzenegger khoảng 11 triệu USD cho vai diễn trong Total Recall (1990). Họ đã biện hộ cho việc chi tiêu này bằng cách nhấn mạnh đến giá trị thu hút đại chúng của dàn diễn viên chính tại những thị trường bên ngoài Hoa Kỳ. Để giảm bớt gánh nặng tài chính trước mắt, Carolco đã trả phần lớn tiền lương của Schwarzenegger bằng một chiếc máy bay phản lực Gulfstream III mua trả góp với trị giá 12,75 triệu USD.Cameron đã kiên quyết không thay thế vai diễn của Hamilton song vẫn lên kế hoạch dự phòng trong trường hợp bà không quay trở lại. Các cuộc đàm phán kéo dài nhưng đã kết thúc nhanh chóng sau khi Cameron thông báo cho Carolco rằng kịch bản không thể hoàn thành cho đến khi biết liệu Hamilton có tham gia hay không. Hamilton nhận được khoảng 1 triệu USD, số tiền này theo bà mô tả là "nhiều hơn đáng kể" so với những gì bản thân nhận được từ Kẻ hủy diệt, tuy nhiên bà thất vọng về sự chênh lệch thù lao giữa mình và Schwarzenegger. Hamilton đã yêu cầu nhân vật Sarah phải thể hiện một cá tính "điên rồ", giải thích rằng sau nhiều năm sống chung với viễn cảnh tận thế sắp xảy ra của nhân loại, bà tin Sarah đã biến thành một thực thể hoang dã, một chiến binh kết hợp với một người phụ nữ bất ổn về mặt tâm lý. Bà nói thêm: "[T-800] là một con người tốt hơn tôi, còn tôi là một Kẻ hủy diệt tốt hơn anh ấy". Cameron từng cân nhắc việc thêm một vết sẹo trên khuôn mặt của nhân vật này nhưng sau đó đã quyết định rằng việc đắp nó mỗi ngày sẽ gặp nhiều khó khăn. Hamilton đã chuẩn bị kỹ lưỡng cho vai diễn của mình, bà làm việc với một huấn luyện viên cá nhân trong ba giờ mỗi ngày, sáu ngày một tuần và tuân thủ một chế độ ăn kiêng nghiêm ngặt ít chất béo, giảm khoảng 12 pound (5,4 kg) cân nặng. Bên cạnh đó, bà còn được đào tạo judo và kỹ thuật quân sự bởi cựu đặc nhiệm Israel Uziel Gal. Trong quá trình tập luyện, ghi hình và dành thời gian cho cậu con trai nhỏ Dalton, Hamilton trung bình chỉ ngủ được khoảng bốn giờ mỗi ngày. Hamilton mô tả trải nghiệm của bà là "cực kỳ khắc nghiệt" nhưng lại thích thú khi khoe vóc dáng mới của mình. Người chị gái song sinh của Hamilton, Leslie, cũng được mời tham gia vào các cảnh phim mà hai phiên bản của nhân vật Sarah xuất hiện cùng lúc trên màn ảnh.Patrick, lúc bấy giờ đang sống trong chiếc xe hơi của mình, là một trong số những diễn viên ở cuối độ tuổi 20 được cân nhắc cho vai diễn T-1000. Cameron mong muốn một diễn viên mảnh khảnh giống như một sĩ quan cảnh sát mới tuyển nhằm tạo sự đối lập với vóc dáng đồ sộ của Schwarzenegger. Theo Cameron, "Nếu như series [T-800] là một chiếc xe tăng Panzer của loài người, thì series [T-1000] phải tương đương với một chiếc Porsche". Giám đốc tuyển chọn diễn viên Mali Finn tin rằng Patrick có "vẻ ngoài đầy cuốn hút" mà họ đang tìm kiếm. Trong buổi thử vai, Patrick đã hóa thân thành một kẻ săn mồi không chút cảm xúc và sau đó đã tham gia vào một bài kiểm tra hình ảnh nhằm đánh giá cách ánh sáng tác động lên làn da và đôi mắt của ông. Để nhập vai, ông đã lấy cảm hứng từ vai diễn của Schwarzenegger trong Kẻ hủy diệt và quan sát các loài động vật săn mồi như bò sát, côn trùng, mèo và cá mập. Biểu cảm khuôn mặt của Patrick được lấy cảm hứng từ đại bàng, với cách giữ đầu cúi xuống như thể luôn hướng về phía trước. Ông còn pha trộn tư thế quân sự với võ thuật nhằm thể hiện sự chuyển động linh hoạt, khác biệt so với những động tác cứng nhắc của T-800. Vai diễn này đòi hỏi Patrick phải thon gọn và nhanh nhẹn, yêu cầu phải duy trì thể lực tốt nhất. Ông đã tập chạy nước rút mà không thở dốc hay kiệt sức, cũng như được Gal đào tạo chuyên sâu. Chuyên gia vũ khí Harry Lu đã dạy Patrick cách vận hành và nạp đạn cho các loại vũ khí như khẩu súng lục Beretta 92FS của nhân vật T-1000, mà không cần nhìn và cuối cùng là không cần chớp mắt. Ban đầu, ca sĩ Billy Idol được chọn cho vai này trước khi bị thương nặng ở chân trong một vụ tai nạn mô tô. Trong một bài phỏng vấn vào năm 2021, Cameron nói rằng Idol có một ngoại hình thú vị nhưng khi nhìn lại, ông có lẽ sẽ không chọn giọng ca này. Ca sĩ Blackie Lawless của ban nhạc rock W.A.S.P. cũng từng được cân nhắc nhưng bị loại vì chiều cao quá khổ.Giữa hàng trăm ứng viên tiềm năng khác, Furlong đã giành được vai diễn trong buổi thử vai cuối cùng của mình. Cameron cho rằng các ứng viên ban đầu cho vai John Connor hoặc đã quá quen thuộc với các phương tiện truyền thông khác hoặc xuất thân từ lĩnh vực quảng cáo, nơi họ được đào tạo để luôn tỏ ra vui vẻ và hoạt bát. Furlong không có kinh nghiệm diễn xuất và được Finn phát hiện tại tổ chức Boys & Girls Club ở Pasadena. Cameron mô tả Furlong có một "vẻ ngoài bất cần, sự thông minh, chỉ cần tìm cách khơi gợi nó ra". Anh được yêu cầu phải tham gia những khóa học diễn xuất, học tiếng Tây Ban Nha, có khả năng lái mô tô cũng như sửa chữa súng. Trong khi đó, Joe Morton tin rằng việc ông được chọn vào vai Miles Dyson là vì Cameron mong muốn một nhân vật thiểu số đóng vai trò then chốt trong việc thay đổi thế giới. Morton đã cố tình không tương tác nhiều với các diễn viên khác để mối quan hệ giữa họ trên màn ảnh trở nên xa cách một cách chân thực. Vai Dyson đã bị cắt giảm sau khi Denzel Washington, lựa chọn hàng đầu cho vai diễn này, từ chối vì nó chủ yếu đòi hỏi ông phải thể hiện sự sợ hãi.
Schwarzenegger bắt đầu quan tâm đến việc tái hiện vai diễn của mình sau khi nhận thấy nhân vật này phức tạp và dễ đồng cảm hơn so với phần phim trước. Trong một bài phỏng vấn vào năm 2021, Cameron nói rằng Idol có một ngoại hình thú vị nhưng khi nhìn lại, ông có lẽ sẽ không chọn giọng ca này.