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主人公・安海琉花役を芦田さんが担当するほか、物語の鍵を握る2人の少年、海と空役に石橋陽彩と窪塚愛流と、期待の若手キャストが決定している本作だが、今回新たに琉花の両親役に稲垣さんと蒼井さん。琉花が所属するハンドボール部の先生役に渡辺さん。世界中を航海しながらジュゴンに育てられた兄弟「海」と「空」を見守る不思議な人物・デデ役に富司さんが決定した。
水族館に勤務する琉花の父・正明を担当する稲垣さんは、『ONE PIECE THE MOVIE カラクリ城のメカ巨兵』(2006年)以来の長編アニメーション映画への出演。本作について「誰にとってもわかりやすい、単純明快なエンターテインメント作品というわけではありません」と語った稲垣さんは、「大人が観ても考えさせられるような深遠さがあり、子どもが観たら理屈を超えたところで、感じるものがちゃんとある作品になっています」とコメント。

また、娘とも夫とも関係が上手くいかない琉花の母・加奈子を担当する蒼井さんは、原作の大ファンだそうで「とにかく画がきれいで、ページを開くだけで海の底に連れて行ってくれる原作が大好きでした。ずっと前からこの世界をスクリーンで観たい! と本当に思っていたので、今回お話をいただいたときには、絶対やりたい! と即答させて頂きました」と思いを明かし、「収録に当たり本編映像を少し観たのですが、原作を読んでいた時に自分の頭の中で思っていた以上の“色”に溢れていて、想像をはるかに超えて凄いことになっていました」と絶賛している。

TVドラマや映画、舞台だけでなく、ナレーションや朗読劇など、声の出演も多い渡辺さんは、意外にも今回がアニメーション映画初出演。「中学二年生の、ガラスのような繊細さと人間としての不安定さを持ったヒロインに教師としてどう向き合うのか。優しく言い含めるのか、厳しく突き放すことで向き合う優しさが良いのか、子育ての永遠のテーマでもありますが、自分自身の経験も反映しながら役作りを考えました」と明かしている。
そして名作『サマーウォーズ』では陣内家の当主で90歳の栄役を務め、それ以来の声優挑戦となる富司さんは「強い信念を持った女性でとても魅力的」と演じるキャラクターについて説明し、「詩的で哲学的な台詞が多く、普通の話し言葉とは違っていたので緊張して挑みましたが、私の魂を声としてデデに注ぐことが出来たと思っています」と手ごたえを語っている。
併せて公開されたポスタービジュアルには、「一番大切な約束は 言葉では交わさない」というキャッチコピーと共に、神秘的な大水槽の前で佇む琉花の姿が描かれている。

『海獣の子供』は6月7日(金)より全国にて公開。