Brie Larson vai Carol Danvers / Captain Marvel: Cựu phi công của lực lượng Không Quân. Sau vụ tai nạn máy bay, cô được người Kree đưa đến hành tinh của họ để cứu chữa. Tại đây, DNA của Carol được kếp hợp với DNA của người Kree, khiến cô trở nên siêu khoẻ, siêu nhanh, có thể bay và có khả năng phóng và hấp thụ năng lượng. Mckenna Grace đóng vai Carol Danvers hồi nhỏ.[5][24]
Samuel L. Jackson vai Nick Fury: Quan chức cấp thấp, đồng thời là giám đốc tương lai của tổ chức S.H.I.E.L.D. Trong phim, Nick Fury vẫn còn nguyên cả hai mắt, vì phim lấy bối cảnh trước khi ông bị mất 1 mắt (năm 1995).[6]
Ben Mendelsohn vai Talos: Kẻ chủ mưu cuộc xâm lăng Trái Đất của tộc người Skrull. Hắn ngầm hoạt động trong S.H.I.E.L.D bằng cách biến hình thành sếp của Nick Fury.
Djimon Hounsou vai Korath: Lính đánh thuê người Kree, đồng thời là phó chỉ huy của lực lượng Starforce.
Lee Pace vai Ronan the Accuser: Quan chức cấp cao người Kree. Hắn rất cuồng tín về văn hoá và phong tục của bộ tộc của mình.
Lashana Lynch vai Maria Rambeau: Phi công của lực lượng Không Quân, đồng thời là một trong những người bạn lâu năm nhất của Carol Danvers. Cô là mẹ đơn thân của Monica Rambeau.
Gemma Chan vai Minn-Erva: Lính bắn tỉa người Kree, đồng thời là thành viên của Starforce.
Annette Bening vai Mar-Vell/Wendy Lawson: Bà là một tiến sĩ người Kree có mối quan hệ đặc biệt với quá khứ của Carol Danvers.
