Hayden Panettiere, diễn viên thủ vai Claire Bennet.

Lúc đầu, Kring dựng nên loạt phim với tiêu chí thay đổi liên tục dàn diễn viên. Tuy nhiên tiêu chí trên của ông đã thay đổi khi ông nhận ra dàn diễn viên gốc được khán giả yêu thích đến nhường nào; do đó, ông đã mang tất cả những diễn viên đóng trong mùa đầu tiên trở lại trong mùa thứ hai, cùng với đó là bổ sung một số tên tuổi nhận mức thù lao cao.[14] Trong mùa đầu tiên, dàn nhân vật chính của chương trình cớ tới 12 người, biến đây trở thành nơi quy tụ dàn nhân vật đông đảo thứ 3 trên làng truyền hình giờ vàng ở Mỹ chỉ sau Desperate Housewives và Mất tích. Mặc dù trang chủ của NBC chỉ liệt kê 10 người trong dàn nhân vật chính của phim,[15] Leonard Roberts (thủ vai D. L. Hawkins – nhân vật lần đầu xuất hiện trong tập 5 của mùa 1) về sau cũng được bổ sung vào dàn diễn viên chính. Cũng trong mùa 1 ở tập "Fallout", Jack Coleman (thủ vai Noah Bennet) cũng được nâng cao từ vai trò nhân vật phụ lên thành một vị trí trong dàn 12 nhân vật chính của phim.[16]

Dưới đây là các nhân vật đóng chính xuyên suốt cả 4 mùa phim:

• Milo Ventimiglia vai Peter Petrelli, một viên y tá tế bần sở hữu năng lực sao chép sức mạnh của người khác.
• Hayden Panettiere vai Claire Bennet, một nữ hoạt náo viên trung học có khả năng tự phục hồi vết thương.
• Oka Masi vai Nakamura Hiro, một nhân viên văn phòng có thể thao túng không-thời gian.
• Adrian Pasdar vai Nathan Petrelli, một ứng viên vào quốc hội có thể bay.
• Greg Grunberg vai Matt Parkman, một sĩ quan thuộc sở Cảnh sát thành phố Los Angeles có khả năng đọc suy nghĩ của người khác.

Ngoài ra dù cho nhân vật Niki Sanders (do Ali Larter thủ vai) chỉ có mặt thường xuyên ở mùa ba, Larter vẫn được ghi nhận có tên trong suốt cả 4 mùa khi vào vai Tracy Strauss, chị của Sanders trong mùa cuối.

Trong hai mùa đầu tiên, một số nhân vật đã phải nhường đất diễn cho các nhân vật mới với những tình tiết mới. Ở mùa 1, Claude (do Christopher Eccleston thủ vai) là một người có năng lực tàng hình và là cứu tinh giúp Peter thấu hiểu sức mạnh của mình; chính Claude đã ném Peter khởi tòa nhà để cố giúp anh bay được, nhưng rồi Claude phát hiện ra Peter lại tự chữa lành vết thương sau khi ngã xuống đất. Simone Deveaux là nhân vật chính đầu tiên rời khỏi chương trình, với cái chết ở cuối mùa 1. DL trở thành nhân vật khách mời sau những sự kiện diễn ra ở tập cuối mùa 1, sau đó có hai lần xuất hiện trong mùa 2. Isaac Mendez, nạn nhân bị phản diện Sylar giết chết đã xuất hiện trong một cảnh thuộc chuyến du hành thời gian của Nakamura Hiro đến New York trước đó ở mùa 1.