Anthony Mackie trong vai Sam Wilson / Captain America: Một Avenger và là cựu lính cứu hộ được quân đội huấn luyện về chiến đấu trên không bằng cách sử dụng bộ cánh được thiết kế đặc biệt. Nhà sản xuất Nate Moore đã so sánh Captain America của Wilson với Rocky Balboa trong loạt phim Rocky là "kẻ yếu trong mọi tình huống" do không có các thuộc tính của Steve Rogers, và nói rằng Wilson sẽ bị "vắt kiệt" và phải kiếm tiền áo choàng của Captain America sau khi tuyên bố nó mà không cần hỗ trợ; Mackie gọi Wilson là Captain America "nhân đạo hơn", trái ngược với một "sự phán xét", vì anh ấy có "cách hiểu rất khác về thế nào là trở thành người tốt hay kẻ xấu". Mackie cho biết bài hát "Hit 'Em Up" (1996) của Tupac Shakur thể hiện vai diễn Wilson của anh trong phim. Đạo diễn Julius Onah cho biết bộ phim sẽ khám phá hành trình của Wilson "bước lên vị trí thủ lĩnh với tư cách là Captain America".
Danny Ramirez trong vai Joaquin Torres / Falcon: Một trung úy trong Lực lượng Không quân Hoa Kỳ, người đã từng làm việc với Wilson trong quá khứ và đảm nhận vai trò của Falcon.
Carl Lumbly trong vai Isaiah Bradley: Một cựu chiến binh người Mỹ gốc Phi trong Chiến tranh Triều Tiên và là siêu chiến binh đã bị cầm tù và bị thí nghiệm trong 30 năm.
Tim Blake Nelson trong vai Samuel Sterns / Leader: Một nhà sinh học tế bào vô tình bị nhiễm chéo máu của Bruce Banner trong khi đang phát triển một loại thuốc giải độc khả thi cho tình trạng của anh ta trong các sự kiện của The Incredible Hulk (2008), ban cho anh ta trí thông minh siêu phàm. Việc đưa Leader vào phim là một trong những lý do khiến Onah quan tâm đến việc chỉ đạo bộ phim, lưu ý rằng việc có một người hoạt động bằng trí tuệ sẽ là một đối thủ tốt của Wilson và đưa anh ta "vào thế bí".
Shira Haas trong vai Sabra: Một nữ siêu anh hùng người Israel. Việc công bố Sabra là một phần của bộ phim đã bị chỉ trích, tin rằng sự xuất hiện của cô ấy sẽ dẫn đến những miêu tả khuôn mẫu tiêu cực đối với người Palestine và người Ả Rập; trong truyện tranh, cô ấy là thành viên của Mossad, và nhiều nhân vật Ả Rập mà cô ấy tương tác được miêu tả là ghét phụ nữ, bài Do Thái và bạo lực. Ngoài ra, tên của nhân vật này đã làm tăng thêm sự chỉ trích, vì nó có ý nghĩa khác nhau đối với người Do Thái ở Israel và người Palestine. Yousef Munayyer, một nhà văn và nhà phân tích người Mỹ gốc Palestine, cho biết truyện tranh không gợi ý "điều gì tích cực" về sự xuất hiện trong phim của cô, vì việc biến các điệp viên Israel thành anh hùng "là điều vô cảm và đáng hổ thẹn". Marvel Studios đã trả lời trong một tuyên bố, nói rằng Captain America: Brave New World đang thực hiện "một cách tiếp cận mới" đối với Sabra, đồng thời nói thêm rằng các nhân vật trong MCU "luôn được hình dung mới mẻ cho màn ảnh và khán giả ngày nay".
Harrison Ford vai Thaddeus "Thunderbolt" Ross: Tổng thống Hoa Kỳ. Ông trước đây là đại tướng quân đội Hoa Kỳ và sau đó là Ngoại trưởng Hoa Kỳ. Moore cho biết sẽ có "một số điểm sáng tự nhiên" giữa Wilson và Ross do các sự kiện của Captain America: Civil War (2016), với nhà sản xuất Kevin Feige nói thêm rằng động lực của họ giờ đã thay đổi khi họ lần lượt là Captain America và tổng thống. Ford thay thế nam diễn viên gốc William Hurt, người đã thể hiện nhân vật này trong các phim trước của MCU cho đến khi qua đời vào năm 2022.
Liv Tyler trong vai Betty Ross: Một nhà sinh vật học tế bào, con gái của Thaddeus và bạn gái cũ của Banner. Tyler tiếp tục vai diễn của cô ấy trong The Incredible Hulk.
Ngoài ra, Xosha Roquemore đã được chọn vào một vai không được tiết lộ.
