Contrariamente alla quinta stagione, che non aveva introdotto nuovi elementi nel cast regolare della serie, la sesta propone due importanti novità, sebbene si tratti di volti già noti al pubblico di Grey’s Anatomy: Kevin McKidd e Jessica Capshaw, interpreti rispettivamente di Owen Hunt e Arizona Robbins. Inoltre, dopo diversi anni di arrivi e addii, nella seconda parte della sesta stagione arriva finalmente al Seattle Grace un primario di cardiochirurgia in pianta stabile: la dottoressa Teddy Altman, interpretata da Kim Raver. Questa, infine, è l’ultima stagione per Katherine Heigl (Izzie Stevens), che dopo una lunghissima trattativa con la produzione, è riuscita a recedere dal contratto per dedicarsi unicamente alla sua carriera cinematografica.