Grace Kelly aveva già interpretato con successo due film di Alfred Hitchcock ma quando il regista propose pubblicamente alla principessa il ruolo principale di Marnie, i residenti di Monaco espressero la loro disapprovazione e l'attrice fu costretta a rinunciare.
Un'ulteriore complicazione fu rappresentata dal fatto che, dal momento che Kelly non aveva ancora adempiuto al suo contratto MGM quando sposò il principe Ranieri III nel 1956, l'attrice non poteva apparire in nessun film che non fosse prodotto dalla MGM.
Dopo l'abbandono della Kelly, Marilyn Monroe espresse pubblicamente il suo interesse nei confronti della parte. Secondo il giornalista di Hollywood Army Archard, quando a Sir Alfred Hitchcock è stato chiesto di questo possibile casting, la sua risposta è stata: "È un'idea interessante".
Hitchcock prese in considerazione queste attrici per il ruolo principale di "Marnie": Eva Marie Saint, Lee Remick, Vera Miles, Claire Griswold e Susan Hampshire, ma infine la parte fu affidata a Tippi Hedren. L'attrice, che aveva già lavorato con Hitchcock ne Gli uccelli, ebbe un rapporto terribile con il leggendario regista arrivando perfino ad accusarlo di molestie e vessazioni psicologiche.