• Gal Gadot trong vai Diana Prince / Wonder Woman: Một Á thần bất tử, công chúa và chiến binh của tộc người Amazon. Diana là con gái của Hippolyta, nữ hoàng người Amazon của Themyscira, và Zeus, vua của các Cựu Thần Olympian.[2]
• Chris Pine trong vai Steve Trevor: Một phi công người Mỹ đem lòng yêu Diana, anh được cho là đã hi sinh trong Chiến tranh thế giới thứ nhất.[3]
• Kristen Wiig trong vai Barbara Ann Minerva / Cheetah: Một nhà khảo cổ học người Anh, trong một chuyến khảo cổ thành phố thất lạc Urzkartaga và bất ngờ bị kéo vào một nghi lễ cổ xưa tại đây, cô đã trở thành vật chủ của nữ thần Cheetah.[4][5][6]
• Connie Nielsen trong vai Hippolyta: Nữ hoàng của Themyscira và mẹ của Diana.[7]
• Robin Wright trong vai Antiope: Chị gái của Hippolyta, tướng quân của quân đội Amazon và là dì của Diana.[7]
• Pedro Pascal trong vai Maxwell Lord: Một nam doanh nhân nổi tiếng chuyên quảng cáo những thông tin thương mại trên TV.[8][9]

Bên cạnh đó, Natasha Rothwell, Ravi Patel, Gabriella Wilde, Kristoffer Polaha và nữ diễn viên nhí Oakley Bull cũng góp mặt trong dàn diễn viên của bộ phim.[10][11][12][13]