《通天狄仁傑》的演員主要有任嘉倫，闞清子，焦俊艷，繆俊傑，李進榮，陳奕，王雨，鄭曉寧，關雪盈，李若嘉等。
狄仁傑演員任嘉倫
配音張傑
24歲，外表瀟灑不羈，內裏率真俠義。雖居官場，交友卻不拘壹格，為眾多江湖人士所追隨。經過壹系列案件的歷練，他終究懂得以天地民心為斷案之本，終成就壹代神判。
慕容清演員闞清子
配音喬詩語
慕容清從小受龍潛的訓練，為了效忠於自己的組織，潛伏在狄仁傑身旁，為他的探案之路設置重重障礙，以阻礙他查清組織的秘密和不可告人的目的。但與狄仁傑青梅竹馬情投意合的她，內心又十分掙紮。
武媚娘演員焦俊艷
配音李世榮
壹代女皇，本是太宗才人，太宗死後，她到了感業寺做尼姑。她以超凡的智慧、勇氣和毅力，利用王皇後和蕭淑妃鷸蚌相爭之時，轉危為機，入宮後，步步為營，既是為了保護自己，也為日益增長的野心開路。
墨雨演員繆俊傑
配音路知行
墨雨是狄仁傑從小壹起長大的小夥伴，名為主仆，實則是狄仁傑最可信賴的朋友、幫手。武功高強，有勇有謀，幫助狄仁傑破獲無數奇案，感情上卻容易沖動。
閻立本演員李進榮
配音張震
閻立本擅繪畫，官至右相。為人正直，明辨是非。他在汴州幫狄仁傑洗脫冤屈，又慧眼識英，助狄仁傑踏入仕途之路。他是狄仁傑的伯樂，在朝中，始終給予狄仁傑強有力的支持。
蔣昊辰演員陳奕
配音趙毅
白衣探花，大理寺少卿。儒雅俊美，城府極深。在黑風寨中積極配合狄仁傑招安，取得了狄仁傑的信任。實則蔣昊辰是李泰的人，黑風寨由此在被招安後成為李泰的武裝力量。
李泰演員王雨
唐太宗李世民與長孫皇後的次子，才華橫溢，聰敏絕倫，深受唐太宗的寵愛。然而他看似溫文爾雅，內心卻是十足的野心家，他壓抑著自己的欲望，暗中聯系各方勢力，籠絡收買江湖組織龍潛，密謀造反。
長孫無忌演員鄭曉寧
前朝重臣，高宗的母舅，與褚遂良等大臣和後宮王皇後勢力結黨，限制高宗的權力。因為權力欲太過，專橫嚴酷，有枉死大臣的女兒玄瑜道姑受潛龍王利用，向其尋仇。
飛紅巾演員關雪盈
配音李詩萌
飛藍綾的妹妹，性格外向，活潑熱情，大大咧咧，盡管武功不如姐姐，且經常好心做壞事，但遇難了永遠第壹個沖在前頭。有時會有點小聰明，比較湊效，是狄仁傑團隊中的開心寶。在黑風寨中錯愛上三當家蔣昊辰。
飛藍綾演員李若嘉
配音白雪岑
飛紅巾的姐姐、內向、擅輕功、溫柔細心、處事大方得體，照顧狄仁傑的日常起居生活，無微不至。暗戀狄仁傑，卻不敢將自己的愛戀表達出來。