吳京扮演劉培強。中國人民解放軍空軍飛行員，中校軍銜，國際空間站導航員。12年前，他因使命與兒子劉啟分離，導致父子隔閡。影片最後為了保護地球炸毀了空間站“航海家”，犧牲了自己。
曲飾演劉啟。劉培強的兒子，因長期與父親缺乏溝通而疏遠，叛逆自大。影片因為私下把韓朵朵拉下了地，遭遇了壹系列危機。為了保護地球，影片最終與韓朵朵等人壹起獨自執行了營救蘇拉威西三世號舵機的任務，扭轉了地球的命運。
天使飾演韓朵朵。北京地下城某中學的學生，在地下城長大，以後再也沒有跨過地面。我和劉啟壹起來到地面，是因為我渴望看到地面世界，但是我遇到了壹系列的危機。影片為了保護地球，利用廣播系統要求聯合政府支持他們，最終激起了全世界人民的鬥誌，讓地球轉危為安。
吳孟達扮演韓子昂。北京地下運輸車司機，韓多多的爺爺。(收養，非親生)
李光潔扮演王樂妍。中國人民解放軍上尉軍銜，杭州發動機救援隊隊長，奉命前往杭州壹機執行救援任務。途中遇到劉啟等人，逼其參軍。
屈扮演。中國人民解放軍陸軍軍醫，軍銜不詳，杭州發動機救援隊醫務人員。
邁克·隋扮演蒂姆。這名監獄犯人是壹名中澳混血兒，偶然間認識了劉奇等人，隨後加入了營救任務。
張亦弛扮演李依伊。壹位中科院的後備院士偶然認識了劉奇等人，隨後加入了救援任務。他開發的壹套計算機軟件在這部電影中起了至關重要的作用。
阿爾卡基·沙羅格拉特斯基？裝修？馬卡洛夫。俄羅斯空軍飛行員，少校軍銜，是“航海家”國際空間站的工作人員，是劉培強的工作夥伴。