Vượt ngục quy tụ một dàn diễn viên hùng hậu trong mỗi phần cùng với các diễn viên khách mời định kỳ. Phần một gồm mười diễn viên chính tập trung chủ yếu ờ Chicago hoặc Fox River. Phần hai gồm chín diễn viên chính; ba nhân vật bị chuyền từ vai chính sang vai phụ, một nhân vật khác chuyển thành nhân vật chính và một nhân vật mới xuất hiện. Phần ba giới thiệu thêm bốn nhân vật mới; hai trong số đó là các tù nhân tại nhà tù Sona.

Đa số các thay đổi trong dàn diễn viên là do cái chết của các nhân vật. Nhà sáng lập bộ phim, Paul Scheuring, giải thích việc giết chết các nhân vật ‘làm khán giả thêm sợ hãi các nhân vật chính" và rằng "điều đó thật sự giúp chúng tôi cô đọng lại cốt truyện". Hai nhân vật chính của bộ phim, Lincoln Burrows và Michael Scofield, là hai nhân vật duy nhất luôn luôn xuất hiện trong tất cả các tập của bộ phim.

• Wentworth Miller (vai Michael Scofield) (Phần 1–4): Michael là em trai của Lincoln và từng là một kỹ sư kết cấu trước khi dành toàn bộ thời gian của mình nghiên cứu vụ án của anh trai. Trong suốt thời gian đó, Michael đã vạch ra một kế hoạch vượt ngục để đưa anh trai mình thoát khỏi nhà tù. Trong một cuộc phỏng vấn, Paul Scheuring nhớ lại rằng đa số các diễn viên đến thử vai "sẽ tham gia một trò chơi bí ẩn, nhưng trò chơi đó vô cùng tồi tệ và giả tạo". Một tuần trước khi bắt đầu sản xuất, Miller đến thử vai và Scheuring vô cùng ấn tượng về màn trình diễn của Miller. Anh được chọn vào ngày hôm sau.

• Dominic Purcell (vai Lincoln Burrows) (Phần 1–4): Lincoln là một người ít hiểu biết và bị cáo buộc giết chết Terence Steadman, em trai Phó Tổng thống Hoa Kỳ. Purcell được chọn ba ngày trước khi bộ phim bắt đầu sản xuất và vì thế, anh là diễn viên tham gia đoàn làm phim muộn nhất. Anh tham gia thử vai trong lúc đang đóng vai Tommy Ravetto của bộ phim North Shore. Từ khi làm việc với John Doe, Purcell có một mối quan hệ thân cận với Fox. Vì thế, anh được đọc qua kịch bản của Vượt ngục. Ban đầu, Scheuring không tin rằng Purcell phù hợp với vai diễn vì kiểu tóc và nước da của anh trong buổi thử vai. Tuy nhiên, Purcell vẫn được chọn. Khi anh đến phim trường trong ngày khởi quay với một cái đầu cạo trọc, Scheuring vô cùng ấn tượng với vẻ ngoài khá giống nhau của hai nhân vật chính.

• Robin Tunney (vai Veronica Donovan) (Phần 1–2): Veronica là bạn thân từ thuở bé của Lincoln và Michael. Trước sự khẩn cầu của Michael, cô quết định xem lại vụ án của Lincoln và trở thành luật sư biện hộ cho Lincoln.

• Marshall Allman (vai Lincoln "L. J." Burrows Jr.) (Phần 1–4): L.J. là con trai của Lincoln Burrows và bị tác động rất mạnh về tinh thần sau khi bố bị tuyên án tử hình. Cậu buộc phải lẩn trốn sau khi trở thành mục tiêu của những người muốn Lincoln phải chết.

• Amaury Nolasco (vai Fernando Sucre) (Phần 1–4): Sucre là bạn cùng phòng với Michael trong suốt thời gian tại Fox River. Anh trở thành đồng minh của Michael và Lincoln và là nhân vật đem lại tiếng cười giải tỏa căng thằng cho bộ phim. Câu chuyện của Sucre chủ yếu xoay quanh ước mơ của anh được đoàn tụ với người yêu.

• Robert Knepper (vai Theodore "T-Bag" Bagwell) (Phần 1–4): T-Bag xuất hiện trong cả bốn phần của bộ phim, là một tên tội phạm xảo quyệt, tàn ác, ma mãnh và hơi quẫn trí, luôn luôn bị những người xung quanh khinh bỉ. T-Bag luôn làm mọi cách để có thứ hắn muốn và không bao giờ để bất cứ tứ gì cản đường hắn.

• Peter Stormare (vai John Abruzzi) (Phần 1–2): Từng là "ông trùm" mafia ở Chicago, Abruzzi trở thành một tù nhân khét tiếng tại Fox River. Hắn ta đồng ý cung cấp một chiếc máy bay để vượt ngục, đổi lại Michael phải đưa cho hắn ta vị trí của nhân chứng đứng ra buộc tội hắn trước tòa, Otto Fibonacci. Abruzzi xuất hiện khá thường xuyên trong nửa đầu phần một và đầu phần hai.

• Rockmond Dunbar (vai Benjamin Miles "C-Note" Franklin) (Phần 1–2, 4): Tuyệt vọng vì phải lẩn trốn gia đình mình, C-Note đe dọa Michael để được vào nhóm vượt ngục. C-Note là nhân vật chính trong phần một và phần hai, và sự xuất hiện của Franklin trong phần 4 đã góp phần giúp nhóm chống tổ chức của Michael được miễn hạn tù

• Wade Williams (vai Brad Bellick) (Season 1–4): Xuất hiện trong suốt bốn phần, Bellick là đội trưởng lính canh Của nhà tù Fox River. Sau khi đọc kịch bản, Williams thoạt tiên không muốn nhận vai Bellick vì nhân vật này quá "khủng khiếp và kinh tởm". Sự miễn cưỡng này là do Williams đang có con gái bốn tuổi. Tuy nhiên, người quản lý đã thuyết phục ông đến buổi thử vai và Williams được chọn vào vai Bellick.

• Sarah Wayne Callies (vai Sara Tancredi) (Phần 1–2, 4): Sara là bác sĩ tại nhà tù Fox River và là con gái của thống đốc Frank Tancredi, người có dính líu đến việc đưa Lincoln vào Fox River. Cô có cảm tình với Michael và cũng tiếp tay cho anh trong cuộc vượt ngục. Cuối cùng cô cũng tham gia bỏ trốn cùng những người khác. Callies là nữ diễn viên đầu tiên đến thử vai và cũng là người đầu tiên được chọn vào dàn diễn viên chính.

• Paul Adelstein (vai Paul Kellerman) (Phần 1–2, 4): Kellerman là đặc vụ của Bộ Nội vụ Hoa Kỳ làm việc cho Phó tổng thống để đảm bảo cuộc hành hình Lincoln Burrows diễn ra êm thấm. Cuối cùng, tính cách của nhân vật này thay đổi, chuyển từ kẻ thù sang đồng minh của Michael và Lincoln. Kellerman là nhân vật chính trong suốt phần một và phần hai.

• William Fichtner (vai Alexander Mahone) (Phần 2-3–4): Được giới thiệu là một đặc vụ FBI trong phần hai, nhiệm vụ của Mahone là truy tìm những tên tù vượt ngục. Sự tài trí của Mahone ngang ngửa với Michael và qua từng tập phim, những bí ẩn trong con người anh dần hé lộ. Trong phần ba, Mahone phát hiện mình bị tống giam tại nhà tù Sona cùng Michael và cuối cùng trở thành đồng minh của Michael trong phần bốn...