• Brie Larson trong vai Carol Danvers / Captain Marvel:
  Một Avenger và cựu phi công máy bay chiến đấu của Lực lượng Không quân Hoa Kỳ có DNA bị thay đổi trong một vụ tai nạn, truyền cho cô sức mạnh siêu phàm, phóng năng lượng và bay.[1]
• Iman Vellani trong vai Kamala Khan / Ms.Marvel:
  Một thiếu niên người Mỹ gốc Pakistan đến từ thành phố Jersey với khả năng biến đổi hình dạng. Cô rất hâm mộ Carol.[2]

• Teyonah Parris trong vai Monica Rambeau / Photon:
  Một đặc vụ của Tổ chức S.W.O.R.D., đồng thời là con gái của Maria Rambeau - bạn cũ của Carol.[2] Vốn hâm mộ Carol từ nhỏ, Monica đã nhận được khả năng hấp thụ năng lượng.[3]
• Samuel L. Jackson trong vai Nick Fury:
  Cựu giám đốc của S.H.I.E.L.D., người đang làm việc với Skrulls trong không gian sâu thẳm.

Ngoài ra, Saagar Shaikh, Zenobia Shroff và Mohan Kapur đóng lại các vai tương ứng của họ là anh trai của Kamala Khan, Amir, mẹ Muneeba và cha Yusuf, từ Ms. Marvel. Ngoài ra, Zawe Ashton được chọn vào một vai diễn phản diện chưa được tiết lộ,[4] với Park Seo-joon cũng được giao một vai diễn không được tiết lộ.