Iain Armitage trong vai Sheldon Cooper, một thần đồng 9 tuổi với một "bộ óc ngàn năm có đủ khả năng cho toán và khoa học cao cấp". Dù cậu xuất chúng trong tất cả các loại toán và khoa học, cậu có vẻ như thích vật lý lý thuyết hơn, tuyên bố rằng cậu sẽ theo đuổi lĩnh vực này gần như cùng lúc khi bộ phim bắt đầu. Tuy là thiên tài về mặt học thuật, Sheldon không hiểu một chút nào về các hành vi và cách xử lí thích hợp ngoài xã hội, cộng thêm cậu luôn có cảm giác mình vượt trội hơn mọi người xung quanh mình do trí thông minh của cậu. Sheldon có thiên hướng tự đi trên con đường của mình kể cả nếu cậu có gặp rắc rối dọc đường. Dẫu sao, Sheldon vẫn yêu thương gia đình mình và gần như lúc nào trái tim cậu cũng đi đúng hướng.[3][4]
Zoe Perry trong vai Mary Cooper, mẹ của Sheldon. Bà rất bảo vệ và kiên nhẫn với Sheldon nhưng đồng thời đôi lúc cũng chật vật trong việc hiểu cậu. Bà là một người theo đạo Cơ Đốc giáo đầy tận tụy, do đó có bất đồng với việc Sheldon là một người theo chủ nghĩa vô thần. Dẫu sao thì, bà vẫn yêu con trai mình hết mực và muốn bảo vệ cậu lâu nhất có thể.[4]
Lance Barber trong vai George Cooper Sr., cha của Sheldon và là huấn luyện viên trưởng của đội bóng bầu dục tại trường phổ thông Medford. Dù thường đưa ra những lời khuyên đầy lý trí, George không phải là thành viên thông minh nhất của gia đình, dẫn tới các thành viên khác, đặc biệt là Meemaw, nghi ngờ rằng ông không phải là cha của Sheldon. Trong khi ông có thể chật vật trong việc hiểu đứa con thông minh xán lạn của mình, George là một người cha đầy yêu thương và đã bảo vệ Sheldon trong nhiều dịp, được Sheldon hết mực yêu quý và kính trọng.[2][3]
Montana Jordan trong vai George "Georgie" Cooper Jr., anh trai của Sheldon. Georgie tỏ ra ghét Sheldon ra mặt và không bao giờ ngần ngại bắt nạt cậu. Cậu thì không quá thông minh và do đó thường bị nói đểu và trêu chọc bởi cả nhà, nhất là Sheldon và Meemaw. Cho dù bên ngoài cậu tự tin về chính mình, nhưng bên trong Georgie ẩn chứa những bất an về việc cảm thấy thấp kém hơn cậu em thiên tài của mình và do đó đương đầu với việc đó bằng cách cố gắng hạ thấp trí thông minh của Sheldon hết mức có thể. Cậu theo học trường trung học Medford cùng với Sheldon và chơi trong đội bóng bầu dục.[2][3]
Raegan Revord trong vai Missy Cooper, em gái sinh đôi của Sheldon. Missy cũng trêu chọc Sheldon cùng với Georgie nhưng không nhiều bằng. Tuy không có trí thông minh như của Sheldon nhưng Missy nhận thức rất nhanh. Dù không phải lúc nào cũng hòa thuận với Sheldon, Missy coi người anh trai sinh đôi của mình là một người bạn và đã thừa nhận rằng mình không cảm thấy trọn vẹn nếu không có cậu ấy.[2]
Annie Potts trong vai Connie "Meemaw" Tucker, bà ngoại của Sheldon. Bà rất thân thiết với Mary và các cháu của bà nhưng không hề đề cao George và thường trêu chọc ông. Bà là người nhẫn nại và thấu hiểu nhất đối với những hành động của Sheldon và khuyên Mary tin tưởng rằng Sheldon sẽ tìm được con đường của riêng mình.[5]
