威廉·夏纳饰詹姆斯·T·柯克：柯克是星际舰队的一名中将，亦是进取号的前任舰长。在电影中，柯克与可汗从未面对面地对抗过；他们的所有交互都是通过大屏幕或通讯器进行的，而他们的场景亦是制片方在四个月间分开拍摄的。梅耶后来谈到，夏纳很会保护他自己及其表演的角色，他在多个场景的表演都非常优秀。
里卡多·蒙塔尔万饰可汗·努尼恩·辛格：可汗是一名在20世纪90年代从地球被放逐的强化人，此前他曾利用其力量与智慧统治了地球的大部分地区。蒙塔尔万认为，每一个反派角色做坏事时，总有其自以为“正当”的理由；在这部电影中，可汗将自己因妻子亡故而产生的愤怒作为向柯克寻仇的合理理由。与事先预测的不同，电影中蒙塔尔万的肌肉上没有附着什么人造设备，取而代之的只是胸前的一道长长的疤痕。蒙塔尔万享受这部电影的拍摄过程，并认为可汗是自己表演事业中不可磨灭的一个角色。他主要抱憾于未能与夏纳共同表演对手戏。贝内特还提到，就在电影前期准备一路绿灯即将完成时，才有制片人想到还没有谁去询问蒙塔尔万能否从电视剧《神秘岛》的拍摄里抽身出来，以参与电影的拍摄。
伦纳德·尼莫伊饰史波克：史波克是进取号的舰长，在星际舰队命令星舰前往雷古拉I星后，他将指挥权转交给了柯克。尼莫伊起初并不打算参与《星际迷航大电影》续集的拍摄，但出于令其饰演角色死亡的许诺而答应出演。尼莫伊觉得，在这部《星际迷航》电影中让史波克“光荣地离去”是结束这一角色的好方式。此前，伦纳德·尼莫伊曾在1981年来到中国。
德福雷斯特·凯利：饰伦纳德·麦考伊 麦考伊是进取号上的船医，亦是柯克与史波克的亲密友人。凯利对早期的剧本并不满意，因为他觉得他并没有怎么参与到剧中的情节。凯利认为，他的角色常在电影中轻松的部分发言，因而觉得他这个角色是用来为银幕带入轻松元素的。
詹姆斯·杜汉饰蒙哥马利·史考特：史考特是进取号的轮机长。凯利觉得，在史波克死去的场景中让麦科伊说出口头禅“他死了，吉姆”会破坏这一刻的严肃性，于是便由杜汉代替他向柯克报告说“他已经死了”。在可汗对进取号的袭击中，史考特失去了自己的小侄子——一名由艾克·艾森曼饰演的学员。艾森曼出演的大部分场景都在影片最初上映时被剪掉了，其中还包括他自我介绍是史考特亲戚的场景。1985年，在ABC播映《可汗之怒》时，这些场景被重新介绍给了观众。在后来出版的导演剪辑版中，史考特为船员之死悲痛的情景也被修剪得更为合理。
乔治·竹井饰田光苏鲁。苏鲁是进取号的舵手。
沃尔特·康涅格饰帕维尔·柴科夫：柴科夫是信望号的大副，亦是进取号的前船员。在影片的拍制过程里，凯利曾提出，在《Space Seed》一集中，柴科夫并未见到可汗（因凯尼格当时并未加入演出），因而在α-V星的可汗认识柴科夫并不合情理。后来的《星际迷航》丛书试图合理化这一矛盾：在由冯达·N·麦金太尔根据电影撰写的小说中，柴科夫当时是一位“值夜班的少尉”，因此在《Space Seed》的剧情之外见过可汗。非正史的小说《统治地狱：可汗·努尼恩·辛格的放逐》则写到，在电视剧中发生的事件结束后，是柴科夫护送可汗抵达的α-V星。而实际上，这一矛盾是由电影制作者的疏漏造成的。梅耶后来还用柯南·道尔在福尔摩斯系列中相似的疏漏作比较，来为其错误辩护。由于柴科夫在被植入鳗虫时发出了巨大的惨叫声，凯尼格将这部电影戏称为《星际迷航II：柴科夫再度尖叫》（Star Trek II: Chekov Screams Again），因为柴科夫在《星际迷航大电影》中也曾发出过类似的尖叫。
尼切尔·尼科尔斯。饰乌乎拉：乌乎拉是进取号的通讯官。尼科尔斯与罗登伯里对这部电影中的一些元素抱持反对态度，譬如海军元素的提及与军服的使用等。在制片人认为罗登伯里是剧本的外泄之源时，尼科尔斯还为之辩护。
比比·贝施。饰卡罗尔·马库斯，卡罗尔是创世计划的首席科学家，也是柯克的儿子大卫的母亲。梅耶当时在选择这个角色的演员时关注了这几点：既要漂亮有女人味，让柯克爱上她；又要表现出足以领导科研项目的智慧。
梅里特·巴特里克饰大卫·马库斯，大卫是创世计划的一名科学家，亦是柯克的儿子。梅耶喜欢巴特里克的头发，认为它金似贝施，卷似夏纳，从而让他看起来像是两人的儿子。
保罗·温菲尔德饰克拉克·特雷尔，特雷尔是信望号的舰长。梅耶看中温菲尔德在《儿子离家时》等电影中取得的成就，对他评价很高；因此，梅耶让他饰演了信望号的舰长。梅耶后来觉得，往耳朵里塞鳗虫的场景太过粗糙，但温菲尔德的表演令其有了重心
柯斯迪·艾黎饰莎维可：莎维可是一位在进取号上接受训练的星际舰队军官。这部电影是艾黎首次出演电影角色的电影。在史波克的葬礼上，莎维可哭了出来。梅耶后来提到，在电影的拍制过程中，曾有人问他说：“‘你真要让她这么做？’我说：‘对’，然后他们说：‘但瓦肯人从来不会哭的，’我回答道：‘不过，这会让她成为一个有趣的瓦肯人。’这一角色的感情爆发，还可通过剧本中莎维可是瓦肯－罗慕伦混血儿的描述来作出合理解释，但在电影中这并未被明确指出。艾黎很喜欢自己的瓦肯尖耳朵，因为她可以在每天结束工作后将它们戴回家。
