• Christian Bale trong vai Bruce Wayne / Batman
  Wayne là một tỷ phú có cha mẹ bị giết từ lúc anh mới 8 tuổi. Đi vòng quanh thế giới nhiều năm để tìm cách chiến đấu chống lại sự bất công, anh trở lại Gotham. Đến đêm, Bruce trở thành Batman, người bảo vệ cho thành phố Gotham. Bale được tuyển vào vai ngày 11/9/2003, anh đã bày tỏ hứng thú vào vai Batman từ khi Darren Aronofsky định làm phim này. Một số ứng cử viên trước đó cho vai Batman/Bruce Wayne có Billy Crudup, Jake Gyllenhaal, Hugh Dancy, Joshua Jackson, Eion Bailey, và Cillian Murphy. Bale cảm thấy các phim trước đó không tận dụng được nhân vật Batman, mà quá nhấn mạnh vào các nhân vật phản diện. Để thể hiện hình tượng Batman tốt nhất, Bale đã nghiên cứu nhiều graphic novels và hình ảnh siêu anh hùng. Đạo diễn Nolan nói về Bale, "Anh chính là sự cân bằng giữa ánh sáng và bóng tối mà chúng tôi đang tìm kiếm". Goyer thì cho rằng trong khi một số diễn viên có thể vào vai Bruce Wayne hay Batman một cách xuất sắc, thì Bale có thể thể hiện cả hai nhân cách khác nhau đó. Bale không thích bộ trang phục của anh, vì nó rất thường xuyên nóng lên. Anh nói, "Batman phải thật dữ dội, và bạn trở thành quái thú trong bộ đồ đó, như Batman nên thế – không phải một người đàn ông mặc một bộ đồ, mà là một sinh vật khác". Vì anh đã giảm nhiều cân để vào vai trong ‘The Machinist’, Bale đã phải thuê huấn luyện viên riêng để giúp anh tăng thêm 100 pounds (45 kg) chỉ trong vài tháng để có thể hình thích hợp với vai diễn nhất. Anh thậm chí còn tăng quá mức cần thiết và Bale nhận ra thể hình lớn không ổn lắm, vì Batman chú trọng vào tốc độ và chiến thuật. Anh lại phải giảm cân khi phim khởi quay.
• Michael Caine trong vai Alfred Pennyworth
  Người quản gia trung thành của gia đình Wayne, tiếp tục phục vụ cậu chủ khi cha mẹ cậu mất. Ông là người thân cận nhất với Bruce Wayne. Nolan cảm thấy Caine sẽ thể hiện tốt hình tượng người cha nuôi của nhân vật. Mặc dù gia đình Alfred được nói đến là đã phục vụ dòng họ Wayne từ nhiều thế hệ, Caine đã tạo bối cảnh nhân vật của riêng mình, trong đó, trước khi ông trở thành quản gia nhà Wayne, Alfred đã tham gia Không quân. Sau khi bị thương, ông được Thomas Wayne mời làm quản gia vì "Ông ấy muốn một người quản gia, nhưng là ai đó khó chơi hơn, bạn biết không?".
• Liam Neeson trong vai Ra's al Ghul
  Dưới danh phận giả Henri Ducard, Ra's huấn luyện ninjutsu cho Bruce. Biên kịch David Goyer nói ông cảm thấy Ra's là nhân vật phản diện phức tạp nhất trong tất cả kẻ thù của Batman, so sánh ông ta với Osama bin Laden: "Ông ta không điên như các kẻ thù khác của Batman. Ông ta không vì báo thù, ông ta chỉ muốn hàn gắn thế giới. Chỉ là ông ta làm việc đó bằng một phương pháp rất tàn bạo". Christopher Nolan đã thảo luận với cộng sự từng tham gia Memento của anh là Guy Pearce về việc vào vai này, nhưng cả hai đều đồng ý là anh quá trẻ cho vai đó. Neeson thường được chọn vào vai người thầy, do đó việc tiết lộ nhân vật của ông là kẻ thù chính sẽ gây bất ngờ cho người xem.
• Katie Holmes trong vai Rachel Dawes
  Người bạn thời thơ ấu của Bruce giờ làm trợ lý công tố viên thành phố Gotham, chống lại sự tha hóa biến chất của thành phố. Sarah Michelle Gellar và Rachel McAdams đã từng muốn vào vai này. Emma Lockhart diễn vai Rachel Dawes lúc còn bé.
• Gary Oldman trong vai James Gordon
  Một trong số ít những sĩ quan cảnh sát thanh liêm của thành phố Gotham. Ông làm nhiệm vụ trực cái đêm mà cha mẹ Bruce Wayne bị sát hại. Ông có một mối quan hệ đặc biệt với Bruce lúc lớn và cả với Batman. Nolan lúc đầu định mời Oldman vào vai phản diện, nhưng khi Chris Cooper bỏ vai Gordon, anh quyết định làm mới Oldman, người nổi tiếng nhờ những vai phản diện, bằng cách mời ông vào vai này. Oldman quay hầu hết các cảnh quay của ông ở Anh. Goyer nói Oldman rất giống với Gordon được vẽ bởi David Mazzucchelli trong bộ graphic novel kinh điển Batman: Year One.
• Cillian Murphy trong vai Jonathan Crane / The Scarecrow
  Một dược sĩ cũng là nhà tâm lý học làm việc ở viện tâm thần Arkham Asylum đã phát triển một loại chất độc gây sợ hãi. Hắn lấy hình dạng bù nhìn (Scarecrow) trong thử nghiệm, dùng bệnh nhân làm vật thí nghiệm cho chất độc của hắn. Hắn làm việc với Ra's al Ghul và Carmine Falcone. Nolan từ chối diễn viên người Ireland vào vai Batman, nhưng sau đó cho anh vai Scarecrow. Murphy đã đọc nhiều truyện tranh liên quan đến Scarecrow để vào vai này.
• Tom Wilkinson trong vai Carmine Falcone
  Ông trùm của thế giới ngầm thành phố Gotham. Hắn làm việc với bác sĩ Jonathan Crane và Ra's al Ghul bằng cách vận chuyển lậu chất độc gây sợ hãi của Crane cùng ma túy của mình, để vài tháng sau hắn có thể đầu độc nguồn nước thành phố.
• Morgan Freeman trong vai Lucius Fox
  Nhân viên cao cấp của Tập đoàn Wayne, người làm việc cho Phòng Khoa học ứng dụng của công ty, nơi ông tiến hành những nghiên cứu tiên tiến về sinh hóa và cơ khí chế tạo. Fox hỗ trợ phần lớn những gì Batman cần và được tiến cử làm CEO vào cuối phim khi Bruce chiếm lại được công ty. Freeman là lựa chọn đầu tiên và duy nhất của Goyer cho vai này.

Các diễn viên khác tham gia có Rutger Hauer trong vai William Earle, CEO của tập đoàn Wayne, người tiếp quản công ty khi Bruce Wayne vắng mặt; Mark Boone Junior vào vai cộng sự của Gordon, thanh tra Arnold Flass; Ken Watanabe vào vai kẻ thế mạng cho Ra's al Ghul; Larry Holden vào vai công tố viên trưởng Carl Finch; Tim Booth vào vai Victor Zsasz; Rade Šerbedžija vào vai một người vô gia cư, người cuối cùng gặp Bruce khi anh rời Gotham, và cũng là người đầu tiên nhìn thấy Batman.