关晓彤在片中扮演年轻时的邓颖超，这也是关晓彤第一次扮演一位历史上的真实人物。

周冬雨扮演范桂霞，1927年的范桂霞着装新潮时髦，让周冬雨拉近了与角色的距离。

冯文娟扮演彭援华，她上一个让人印象深刻的角色是《湄公河行动》中的缉毒特别行动组组员彭冰。

马伊琍被导演和总监选中扮演向警予，因为“主要看气质”。

李沁扮演杨开慧。六年前，刘烨和李沁在电影《建党伟业》中首次饰演毛泽东和杨开慧。

宋佳扮演宋庆龄，导演曾将一张宋庆龄的资料图片交给宋佳，希望能帮助她找到1927年的宋庆龄“沉稳中也有年轻热情”的状态。

陈晓扮演任弼时，陈晓说“把这次表演献给家人”。

保剑锋饰演谭平山，这样“颠覆”的保剑锋丝毫看不出《十八岁的天空》中古老师的身影。

白客饰演瞿秋白，1927年瞿秋白不到三十岁，与白客参演时的年龄几乎一致。

刘循子墨扮演蔡和森，一副颇具年代感的圆眼镜增加了子墨身上“文雅”的感觉。

李易峰饰何长工，导演表示他完美捕捉到了人物精髓：“效果赏心悦目”。

张艺兴饰卢德铭，这是他第一次演军人，第一次在戏里拿枪，第一次拍爆破戏。

刘昊然饰粟裕，这个角色让刘昊然“军事控”的属性彻底暴露出来。

白宇饰蔡晴川，影片中蔡晴川始终在战场上，或是枪战，或是近身肉搏，一直在战壕中摸爬滚打。

马天宇饰林彪，马天宇也是第一次饰演军人角色，他将这个角色视为一次“成人礼”。