Millie Bobby Brown vai Enola Holmes, cô em út trong gia đình Holmes danh giá. Cực kì thông minh, có đôi mắt quan sát tinh tường và khả năng suy nghĩ thấu đáo, cô phản đối việc tuân theo những chuẩn mực xã hội dành cho phụ nữ thời đó. Dưới sự dạy dỗ của mẹ, Enola được học mọi thứ, từ cờ vua cho đến nhu thuật, ngoài ra cô cũng đọc rất nhiều sách.
Henry Cavill vai Sherlock Holmes, người con lớn thứ hai trong ba anh em nhà Holmes. Một thám tử tư nổi tiếng.
Sam Claflin vai Mycroft Holmes, anh cả trong ba anh em. Anh làm việc cho chính phủ với mức lương hậu hĩnh và là người giám hộ hợp pháp của Enola. Mặc dù Mycroft lớn hơn Sherlock nhưng ngoài đời Claflin lại ít hơn Cavill ba tuổi.[1]
Helena Bonham Carter vai Eudoria Holmes, người mẹ đứng đầu gia đình Holmes. Là một người lập dị, phóng khoáng và độc đáo, Eudoria nuôi dạy Enola theo cách hướng cô theo đuổi con đường của riêng mình hơn là con đường do người khác đặt ra, đồng thời cũng muốn tái định nghĩa vị thế của một người phụ nữ trong xã hội.[2]
