男主角“一号目标”周恩来由著名演员孙维民饰演，中共金牌特工熊向晖由著名演员刘小锋饰演；曾出演《乔家大院》《西施》《白发魔女传》《卧虎藏龙》《四大名捕》《风云》等影视剧，荣获“金鹰奖”“飞天奖”视后的蒋勤勤饰演的女特务吕一然，人物性格复杂，其结局耐人寻味；曾在《甄嬛传》中出色地扮演崔槿汐的孙茜受到广大观众的认可和喜爱，在电影《一号目标》中，她将以充满青春活力、机敏而纯朴的革命女青年形象出现在观众面前，与她此前在《金婚2》中的耿玲、《兰花花》中的兰花花以及《铁血丹心》中的宋庆龄等形象形成巨大反差。此外，美国、南非、荷兰的外籍演员也将在影片中饰演重要角色，而侯勇、倪大红、张晨光、黄薇等著名演员将友情出演。
