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J. 로버트 오펜하이머 (킬리언 머피) - 원자폭탄의 아버지, 맨해튼 프로젝트의 총 책임자  

캐서린 "키티" 오펜하이머 (에밀리 블런트) - 오펜하이머의 아내이자 과거 식물학자 

프랭크 오펜하이머 (딜런 아놀드) - 오펜하이머의 동생이자 입자물리학자  

 알버트 아인슈타인 (톰 콘티) - 맨해튼 프로젝트에 직접 참여를 하지 않았지만, 루즈벨트에게 원자폭탄을 독일보다 먼저 개발해야한다는 편지를 보냄

버니바 부시 (매튜 모딘) - 2차세계대전 당시 미국과학연구소의 수장, 루즈벨트에게 폭탄 제작 승인을 이끌어낸 인물, 폭탄 개발과 과학자들을 모으며 맨해튼 프로젝트가 성공적으로 이루어질 수 있도록 도움 

베르너 하이젠베르크 (마티아스 슈바이크회퍼) - 양자역학의 개척자인 독일의 물리학자, 독일 쪽 원자폭탄 개발의 중요 인물 

레슬리 그로브스 주니어 장군 (맷 데이먼) - 맨해튼 프로젝트의 군쪽 책임자  

에드워드 텔러 (베니 샤프디) - 수소폭탄의 아버지 

어니스트 로렌스 (조쉬 하트넷) - 원자폭탄 실험에 중요한 역할을 한 사이클로트론(입자가속기)의 개발자이자 오펜하이머의 친구  

닐스 보어 (케네스 브레너) - 양자역학의 수장 격이였던 덴마크 물리학자 

한스 베테 (구스타프 스카스가드) - 맨해튼 프로젝트의 이론 쪽 책임자였던 핵물리학자 

이지도어 아이작 라비 ( 데이비드 크럼홀츠) - 맨해튼 프로젝트의 부소장을 맡아달라는 오펜하이머의 제안은 거절했지만 고문으로서 남아서 트리니티 실험에도 참여한 물리학자 

케네스 베인브리지 (조쉬 펙) - 맨해튼 프로젝트에 참여한 물리학자이며 트리니티 실험의 감독자 

리차드 파인만 (잭 퀘이드) - 맨해튼 프로젝트에 참여한 젊은 물리학자로 한스 베테의팀에 24살의 나이로 대학원 학위를 따기 전인데도 합류 

보리스 파시 (케이시 에플렉) - 맨해튼 프로젝트에서 공산당 관련 활동을 한 혐의를 가진 참가자들을 심문한 정보 장교 

해리 S. 트루먼 대통령 (게리 올드만) - 원자폭탄 투하를 지시한 대통령, 영화에선 오펜하이머와의 유명한 일화가 들어가있음 

윌리엄 L. 보든 (데이비드 다스트말치안) - FBI 국장 에드가 J. 후버에게 오펜하이머가 소련의 첩자라는 편지를 보낸 변호사 

루이스 스트로스 제독 (로버트 다우니 주니어) - 원자력위원회(AEC)의 위원장이자 오펜하이머의 몰락에 결정적인 역할을 한 인물 

케레스 니콜스 중령 (데인 드한) - 그로브스의 부관이자 오펜하이머에게 적대적인 인물 중 하나 

고든 그레이 ( 토니 골드윈) - 오펜하이머의 보안 인가 관련 그레이 위원회의 위원장 

로저 롭 (제이슨 클라크) - 루이스 스트로스가 고용한 검사 출신의 변호사, 오펜하이머의 청문회에서 반대 심문을 이끌어낸 사람 

데이비드 힐 (라미 말렉) - 맨해튼 프로젝트 당시 야금부에서 실라르드와 함께 일한 핵물리학자, 1959년 루이스 스트로스 임명 반대에 결정적인 역할을 한 인물 

진 태틀록 (플로렌스 퓨) - 오펜하이머의 과거 연인이자 공산당원, 심리학자 

루이스 스트로스의 상원 보자관 (올든 애런라이크) - 영화에서 스트로스의 청문회 도중 입장이 바뀌는 인물로 묘사 

클라우스 푹스 (크리스토퍼 덴햄) - 맨해튼 프로젝트에 참여한 영국 물리학자이며 소련의 스파이 

패트릭 블래킷 (제임스 다시) - 영화 초반 오펜하이머가 대학원생 시절 지도교수, 오펜하이머의 독극물 사과 일화의 대상 

레오 실라르드 (마테 하우만) - 알버트 아인슈타인과 함께 루즈벨트에게 원자폭탄을 개발해야한다고 편지를 보낸 인물이자 추후에 원자폭탄 사용 반대 청원서를 주도한 인물 

헨리 L. 스팀슨 (제임스 레마) - 2차 세계 대전 당시 미국 전쟁부 장관, 원폭 투하 장소 선정 장면에서 출연