吴京 饰 刘培强。中国人民解放军空军飞行员，中校军衔，“领航员号”国际空间站工作人员。12年前因执行任务而与儿子刘启分离，导致父子关系疏远。电影最终为保护地球而炸毁了“领航员号”空间站，自己也牺牲了。
屈楚萧 饰 刘启。刘培强之子，因长期与父亲缺乏沟通而关系疏远，性格反叛并且狂妄。电影中因为私自带韩朵朵来到地面而遭遇了一系列危机。电影最终为保护地球而与韩朵朵等人单独执行营救苏拉威西三号转向发动机的任务，扭转了地球的命运。
赵今麦 饰 韩朵朵。北京地下城某中学学生，从小在地下城长大，从未来过地面。因为渴望看到地面世界而与刘启一同来到了地面，却遭遇了一系列危机。电影中为保护地球而用广播系统央求联合政府支援他们，最终唤醒了全世界人民的斗志，地球转危为安。
吴孟达 饰 韩子昂。北京地下城运输车驾驶员，韩朵朵的爷爷。（收养的，并非亲生）
李光洁 饰 王磊。中国人民解放军陆军上尉军衔，杭州发动机救援小组组长，受命前往杭州一号发动机执行救援任务，途中遭遇了刘启等人，并将其强征入伍。
屈青青 饰 周倩。中国人民解放军陆军军医，军衔未知，杭州发动机救援小组的医护人员。
隋凯 饰 提姆。监狱囚犯，中澳混血，因机缘巧合而与刘启等人相遇，随后加入了营救任务。
张亦驰 饰 李一一。中国科学院后备院士，因机缘巧合而与刘启等人相遇，随后加入了营救任务，他研发的一套电脑软件在电影中起到了至关重要的作用。
阿尔卡基·沙罗格拉茨基 饰 马卡洛夫。俄罗斯空军飞行员，少校军衔，“领航员号”国际空间站工作人员，是刘培强的工作搭档。
