Die Besetzung von "The Big Bang Theory" trug maßgeblich zum Erfolg und zur Beliebtheit der Serie bei. Hier sind die Hauptdarsteller und ihre Rollen:
Jim Parsons als Dr. Sheldon Cooper: Ein theoretischer Physiker mit außergewöhnlicher Intelligenz, aber auch mit Schwierigkeiten in sozialen Interaktionen. Seine Eigenheiten und sein Intellekt machen ihn zu einem der beliebtesten Charaktere.
Johnny Galecki als Dr. Leonard Hofstadter: Ein experimenteller Physiker und Sheldons Mitbewohner. Er ist intelligenter als der Durchschnitt, aber im Schatten von Sheldon. Er fungiert oft als Brücke zwischen Sheldon und der "normalen" Welt.
Kaley Cuoco als Penny: Eine Kellnerin und angehende Schauspielerin, die gegenüber von Leonard und Sheldon wohnt. Sie repräsentiert den "normalen" Menschen in der Gruppe und entwickelt eine enge Beziehung zu den Wissenschaftlern.
Simon Helberg als Howard Wolowitz: Ein Ingenieur (zunächst ohne Doktortitel) und enger Freund von Leonard und Sheldon. Bekannt für seine oft unangebrachten Anmachsprüche und seine enge Beziehung zu seiner Mutter.
Kunal Nayyar als Dr. Rajesh Koothrappali: Ein Astrophysiker, der unter selektivem Mutismus leidet (kann anfangs nicht mit Frauen sprechen, ohne Alkohol getrunken zu haben). Er ist ein enger Freund der Gruppe und bekannt für seine Sensibilität.
Melissa Rauch als Dr. Bernadette Rostenkowski-Wolowitz: Eine Mikrobiologin und Howards Ehefrau. Sie ist intelligent, ehrgeizig und kann, wenn nötig, sehr durchsetzungsstark sein.
Mayim Bialik als Dr. Amy Farrah Fowler: Eine Neurobiologin und Sheldons Freundin (später Ehefrau). Sie ist intellektuell ebenbürtig mit Sheldon und entwickelt im Laufe der Serie soziale Kompetenzen.