• Tom Cruise thủ vai Ethan Hunt, một đặc vụ IMF và là người lãnh đạo của đội đặc nhiệm
• Ving Rhames thủ vai Luther Stickell, một chuyên gia máy tính của IMF, thành viên trong nhóm của Hunt và đồng thời cũng là bạn thân của anh.
• Simon Pegg thủ vai Benji Dunn, một đặc vụ lĩnh vực kỹ thuật của IMF, thành viên trong nhóm của Hunt.
• Rebecca Ferguson thủ vai Ilsa Faust, cựu đặc vụ của MI6 đã liên minh với nhóm của Hunt trong Quốc gia bí ẩn và Sụp đổ.
• Hayley Atwell thủ vai Grace.[2]
• Vanessa Kirby thủ vai Alanna Mitsopolis, một tay buôn vũ khí ở chợ đen còn được gọi với biệt danh là Góa phụ trắng. Con gái của nhân vật "Max" trong phần phim đầu tiên
• Henry Czerny thủ vai Eugene Kittridge, cựu giám đốc của IMF được nhìn thấy lần cuối trong Nhiệm vụ bất khả thi.
• Esai Morales thủ vai Nhân vật phản diện chính của phim
• Frederick Schmidt thủ vai Zola Mitsopolis, anh trai của Alanna kiêm người phán xử[3]

Ngoài ra, phim còn có sự xuất hiện của Pom Klementieff, Shea Whigham, Rob Delaney, Charles Parnell, Indira Varma, Mark Gatiss, Cary Elwes, Lampros Kalfuntzos và Greg Tarzan Davis trong các vai diễn không được tiết lộ.[4]