工藤新一：韩庚  
工藤优作：裴勇俊  
工藤有希子：马苏  
毛利小五郎：张铁林  
毛利兰：梁咏琪  
服部平次：李真旭（韩国演员，出演过《天空之城》《强敌们》）  
远山和叶：贾静雯  
铃木园子：孙俪  
灰原姐妹：宋慧乔/张瑞希  
黑羽快斗：李俊基  
中森青子：刘亦菲  
阿栗博士：周润发  
目暮警官：王刚  
高木警官：古天乐  
佐藤警官：郑秀文  
白鸟警官：张信哲  
茱迪老师：陈好  
巴尔默的：李冰冰  
赤井秀一：宋承宪  
服部父：黄日华  
远山父：张国立  
特别出演：  
黑羽父：焦恩俊  
黑暗组织首脑：陈道明  
长大后的吉田步美：林心如  
特别客串：  
梁朝伟，刘德华（黑暗组织高级成员）