Marion Cotillard thủ vai Bác sĩ Leonora Orantes.Matt Damon, người cộng tác thường xuyên với Soderbergh được lựa chọn để đảm nhiệm vai Mitch Emhoff.Kate Winslet đóng vai Erin Mears, một cán bộ của Dịch vụ tình báo dịch tễ.

• Marion Cotillard vai Bác sĩ Leonora Orantes, một chuyên gia dịch tễ học của Tổ chức Y tế Thế giới.

Mục tiêu chính của Orantes là truy tìm nguồn gốc mầm bệnh MEV-1. Cotillard vốn là một người hâm mộ các tác phẩm của Soderbergh và lần đầu gặp vị đạo diễn này tại Los Angeles, California.[2] Nữ diễn viên bị kịch bản phim làm mê hoặc bởi cô "vô cùng quan tâm đến vi trùng. Tôi đã luôn... sợ hãi bởi những căn bệnh kiểu như vậy. Vì vậy... nó là thứ tôi thật sự để ý đến."[2] Soderbergh cho biết Orantes "bị rơi vào [nhiều] tình huống và phải đương đầu với các vấn đề văn hóa cũng như khoa học, mà đôi khi chúng xung đột với nhau", đồng thời nhấn mạnh rằng cô ấy có một thái độ "chuyên nghiệp" nhưng bướng bỉnh, "biệt lập" và "vô tư", dù cho "những điều xảy đến với cô trong suốt cốt truyện tạo nên một thay đổi đáng kể về mặt cảm xúc."

• Matt Damon vai Mitch Emhoff

Damon coi nhân vật của mình như hiện thân của "mọi người" — một cá nhân được coi như "một trong những bộ mặt của nhân loại về chủng siêu virus" sau cái chết của vợ và cậu con trai riêng. Soderbergh còn lưu ý cả vốn kiến thức nông cạn về y học và khoa học kiểu "cá nhân điển hình" của Mitch, dù việc giữ cho tình huống thật sôi nổi và hấp dẫn lại gây thách thức cho vị đạo diễn, vì ông lo ngại rằng Emhof sẽ bị biến thành nhân vật một chiều. Soderbergh thấy rằng Damon thông hiểu khái niệm và chú tâm đến những mối lo ngại của các nhà sản xuất. Soderbergh nói, "Bạn không bao giờ bắt anh ấy diễn...màn thể hiện của anh chẳng kiêu căng hay ngượng ngùng gì, cứ như thể máy quay không đặt ở đó vậy." Nhà biên kịch Scott Z. Burns đã gửi lại bản sao một kịch bản với mẩu giấy đính kèm ghi, "hãy đọc thứ này và đi rửa tay đi." Damon nhớ lại, "Tôi chỉ muốn được góp mặt trong bộ phim này. Đó là một kịch bản tuyệt vời, hấp dẫn và [có tình tiết] thật sự nhanh, rất thú vị và ghê sợ, nhưng cũng có thể vô cùng cảm động."[3]

• Laurence Fishburne vai Bác sĩ Ellis Cheever

Soderbergh bày tỏ sự ngưỡng mộ khả năng hóa thân vào một nhân vật mạnh mẽ và quyết đoán của Fishburne trong các bộ phim trước. Về phía Fishburne, ông thấy Cheever là một bác sĩ "thông minh" và "thạo giỏi", có tài thao lược bằng việc đưa ra những quyết định dựa theo lý trí và logic. Trong một lần trao đổi với W. Ian Lipkin, vị giáo sư và nhà virus học của Đại học Columbia, nam diễn viên thấy rằng nội tâm phức tạp của nhân vật không tồn tại trong con người ông. Fishburne bộc bạch, "Những chuyện riêng tư như việc Ellis Cheever nói với hôn thê và vợ sắp cưới Sanaa Lathan rằng hãy rời khỏi thị trấn, bỏ hết mọi thứ đang làm hay không nói chuyện với ai. Như thế thật sự dễ dàng. Theo tôi thì bất kì ai rơi vào tỉnh cảnh đó đều sẽ làm như vậy."[4]

• Jude Law vai Alan Krumwiede

Krumwiede là một nhà học thuyết âm mưu giàu nhiệt huyết; theo góc nhìn của Law nhân vật giống như một bệnh nhân số 0 dành cho "dịch bệnh của nỗi sợ hãi và hoảng loạn". Soderbergh nói về Krumwiede, "Chúng tôi nhất định muốn anh ta có cái nét của một vị cứu tinh". Vị đạo diễn từng trò chuyện với Law trong quá trình sáng tạo nhân vật, trong đó hai người thảo luận với nhau về ngoại hình và cách hành xử của một nhà học thuyết âm mưu phản chính phủ điển hình. Nhà sản xuất Gregory Jacobs bình luận, "Điều thú vị là bạn không thật sự chắc chắn về anh ta. Có thật là chính phủ đang che giấu điều gì đó và liệu liều thuốc thảo dược mà anh ta nói có tác dụng thật không? Tôi thấy chúng ta [thường hay] ngờ vực, không vào lúc này thì vào lúc khác rằng chúng ta đang không nắm trong tay toàn bộ sự thật, và theo đúng nghĩa đó Krumwiede đại diện cho góc nhìn của khán giả."

• Gwyneth Paltrow vai Beth Emhoff

Paltrow miêu tả Beth là một "bà mẹ của công việc" – nhân vật trung tâm trong quá trình điều tra. Mặc dù là một trong những nạn nhân đầu tiên của virus, nhưng Paltrow tin rằng Beth đã "may mắn" bởi nữ diễn viên cho rằng những người sống sót qua dịch bệnh đang bị bỏ lại để đối mặt với các điều kiện khó khăn mới nảy sinh trong cuộc sống hàng ngày, chẳng hạn như tìm kiếm đồ ăn và nước uống. Trong một lần ghi hình tại Hồng Kông, Soderbergh đã hướng dẫn Paltrow chụp những bức hình sẽ được dùng trong phim; cô thừa nhận rằng mình tỏ ra e ngại về khoản này. Nữ diễn viên cho biết, "Tôi chỉ là một vị khách du lịch đang chụp ảnh...Tôi cảm thấy có đôi chút áp lực. Khi Steven Soderbergh giao bạn nhiệm vụ chụp ảnh, bạn nên mang về những tấm hình tử tế."

• Kate Winslet vai Bác sĩ Erin Mears, một cán bộ của Dịch vụ tình báo dịch tễ

Với mục đích nghiên cứu nhân vật của mình, Winslet đã ghé thăm Trung tâm kiểm soát và phòng ngừa dịch bệnh (CDC, nay nằm ở Atlanta, Georgia) nhằm tham vấn ý kiến với các cán bộ đã/đang công tác tại Dịch vụ tình báo dịch tễ, qua đó có được góc nhìn sâu sắc không chỉ trong cuộc sống hàng ngày, mà còn là loại người đủ năng lực làm việc. "Đây là những người có thể bị gửi đi các vùng chiến sự, nơi một chủng virus mới bùng phát. Nỗi sợ hãi không phải là một lựa chọn. Nếu họ cảm thấy thế họ [phải] học cách gạt nó qua một bên." Winslet thấy rằng Mear có thể truyền kiến thức về dịch bệnh tới "những người không có chuyên môn" vì thế người xem có thể nắm rõ phạm vi [ảnh hưởng] của dịch mà không cần nhồi nhét kiến thức khoa học không cần thiết vào cốt truyện.[5]