Nhân vật chính

• Jared Harris trong vai Valery Legasov, phó giám đốc của Viện Kurchatov đã được triệu tập đến để khắc phục hậu quả. Năm 1988, ông đã treo cổ tự sát chỉ một ngày sau kỷ niệm 2 năm của Thảm họa Chernobyl.
• Stellan Skarsgård trong vai ông Vladimir Shcherbina, phó chủ tịch Hội đồng Bộ trưởng.
• Emily Watson trong vai Ulana Khomyuk, một nhà vật lý hạt nhân đến từ Minsk. Khomyuk là một nhân vật hư cấu, người mà Watson nói "đại diện cho những nhà khoa học làm việc không sợ hãi và tự đặt mình vào rất nhiều hiểm nguy để giúp giải quyết vấn đề."[4]
• Paul Ritter trong vai Anatoly Dyatlov, trợ lý kỹ sư trưởng tại Nhà máy điện hạt nhân Chernobyl
• Jessie Buckley trong vai Lyudmilla Ignatenko, vợ của Vasily Ignatenko.
• Adam Nagaitis trong vai Vasily Ignatenko, một lính cứu hỏa Pripyat và là người có mặt đầu tiên ở vụ nổ Chernobyl.
• Con O'Neill trong vai Viktor Bryukhanov, người quản lý của Chernobyl.
• Adrian Rawlins trong vai Nikolai Fomin, kỹ sư trưởng tại Chernobyl.
• Sam Troughton trong vai Aleksandr Akimov, người giám sát ca đêm tại Chernobyl.
• Robert Emms trong vai Leonid Toptunov, kỹ sư cao cấp tại Chernobyl.
• David Dencik trong vai Mikhail Gorbachev, Tổng Bí thư Đảng Cộng sản Liên Xô.
• Mark Lewis Jones trong vai Vladimir Pikalov, chỉ huy lực lượng hóa học Liên Xô.
• Alan Williams trong vai Viktor Charkov, phó chủ tịch đầu tiên của KGB, nhân vật hư cấu.
• Alex Ferns trong vai Andrei Glukhov, trưởng nhóm khai thác mỏ.
• Ralph Ineson trong vai Nikolai Tarakanov.
• Barry Keoghan trong vai Pavel Gremov.
• Fares Fares trong vai Bacho, một người lính Georgia huấn luyện Pavel.
• Michael McElhatton trong vai Andrei Stepashin, công tố viên trong phiên tòa xét xử Dyatlov, Bryukhanov và Fomin.

Nhân vật phụ

• Adam Lundgren trong vai Vyacheslav Brazhnik, nhà điều hành tuabin cao cấp tại Chernobyl.
• Karl Davies trong vai Viktor Proskuryakov, một thực tập sinh kỹ sư điều khiển lò phản ứng cao cấp tại Chernobyl.
• Donald Sumpter trong vai Zharkov, một thành viên ủy ban điều hành Pripyat.
• Billy Postlethwaite trong vai Boris Stolyarchuk, kỹ sư điều khiển lò phản ứng số 4 tại Chernobyl.
• Joshua Lee trong vai Igor Kirschenbaum, một kỹ sư điều khiển tuabin cao cấp tại Chernobyl.
• Nadia Clifford trong vai bà Einil Zinchenko, một bác sĩ điều trị cho Vasily Ignatenko và những người khác bị nhiễm phóng xạ.
• Jamie Sives trong vai Anatoly Sitnikov, phó kỹ sư vận hành tại Chernobyl được cử đến để kiểm tra lõi phát nổ.
• Baltasar Breki Samper trong vai Alexei Ananenko, một trong những tình nguyện viên đã rút nước trong tầng hầm của Chernobyl để ngăn chặn vụ nổ.
• Philip Barantini trong vai Valeri Bezpalov, một trong những tình nguyện viên đã rút nước trong tầng hầm của Chernobyl để ngăn chặn vụ nổ.
• Oscar Giese trong vai Boris Baranov, một trong những tình nguyện viên đã rút nước trong tầng hầm của Chernobyl để ngăn chặn vụ nổ.

Khách mời

• Jay Simpson trong vai Valery Perevozchenko, quản đốc trong phần lò phản ứng.
• Michael Colgan trong vai Mikhail Shchadov, Bộ trưởng Công nghiệp Than của Liên Xô.
• James Cosmo trong vai thợ mỏ.
• Hilton McRae trong vai Milan Kadnikov, thẩm phán chủ tọa phiên tòa xét xử Dyatlov, Bryukhanov và Fomin.
• Kieran O'Brien trong vai Valery Khodemchuk, người vận hành máy bơm chính vào ca đêm tại Chernobyl.