Dưới đây là danh sách các diễn viên có mặt trong phim Oppenheimer. Mặc dù có hơn 120 diễn viên tham gia vào bộ phim nhưng đề mục này chỉ liệt kê những diễn viên thủ vai những nhân vật có ảnh hưởng đến nội dung của phim.[11] Những nhân vật mà các diễn viên thủ vai đều là những nhân vật có thật trong lịch sử.

Nhân vật chính

• Cillian Murphy trong vai Robert Oppenheimer,[12] một nhà vật lý lý thuyết và là người lãnh đạo thời chiến tại phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos. Ông là người có những đóng góp quan trọng trong việc phát triển những vũ khí hạt nhân đầu tiên trong dự án Manhattan, đặc biệt là bom nguyên tử. Ngoài ra, ông còn là người bị nghi ngờ điều tra trong một phiên điều trần an ninh.
• Emily Blunt trong vai Katherine "Kitty" Oppenheimer,[13] một nhà sinh học và là vợ của Robert Oppenheimer. Bà cũng là đảng viên của Đảng Cộng sản Hoa Kỳ.
• Matt Damon trong vai Leslie Groves,[14] một sĩ quan thuộc Công binh Lục quân Hoa Kỳ. Ông là người phụ trách cho dự án Manhattan.
• Robert Downey Jr. trong vai Lewis Strauss,[14] một doanh nhân kiêm chủ tịch của Ủy ban Năng lượng nguyên tử Hoa Kỳ. Ông là người có ác cảm với Oppenheimer.
• Florence Pugh trong vai Jean Tatlock,[15] một nhà tâm thần học và là đảng viên kiêm nhà báo của Đảng Cộng sản Hoa Kỳ. Bà có mối quan hệ tình cảm với Robert Oppenheimer.
• Josh Hartnett trong vai Ernest Lawrence,[16][17] một nhà vật lý học có những đóng góp lớn cho dự án Manhattan.
• Casey Affleck trong vai Boris Pash,[18] một sĩ quan tình báo quân đội thuộc Lục quân Hoa Kỳ.
• Rami Malek trong vai David Hill,[15] một nhà khoa học làm việc cho dự án Manhattan và là nhà báo sau chiến tranh. Ông từng là kỹ thuật viên của phòng thí nghiệm luyện kim tại Đại học Chicago.
• Kenneth Branagh trong vai Niels Bohr,[19] một nhà vật lý học người Đan Mạch, là người cố vấn trong dự án Manhattan.

Nhân vật phụ