新版《永不瞑目》主要演员表如下：
郭家铭饰演肖童，青年演员，曾参加06好男儿角逐。在《新永不瞑目》中，肖童被塑造为一位钢琴才子，钢琴元素的加入让角色更加丰富，唯美与现实并存。肖童的故事走向与老版基本相同，他作为卧底染上毒瘾，最终结局悲壮，但弹钢琴的设定可能令女性观众心疼。
赵子琪饰演欧庆春（原由郝蕾饰演，后换角），毕业于北京广播学院，转型为演员后成为实力派明星。导演马功伟评价其表演在情感表露上超越原版，与团队搭配默契，角色塑造到位。赵子琪的警察情结源于其父亲的真实身份，此次出演圆了她的职业梦想。
张俪饰演欧阳兰兰，中央戏剧学院科班出身，以S型身材和广告拍摄经历进入影视圈。新版中，欧阳兰兰几乎被重新塑造，多场爆发戏展现了她对感情的无助，导演称赞其眼泪最动人。
隋俊波饰演郑文燕，中央戏剧学院表演系毕业，北京鑫宝源影视签约演员。她扮演的肖童前女友郑文燕是个“作女”，对肖童的爱恋到了不能自拔的地步，由此也将二人的命运拖入了未知的变数。
陈昊饰演黄建军，吉林艺术学校表演导演本科班毕业，被誉为最具潜质内地男演员。新版中，黄建军的戏份比老版更多，内容更丰富，人物脉络更清晰，并加入了许多感情戏份。
许亚军饰演李春强，中央戏剧学院表演系毕业，中国儿童艺术剧院演员。他塑造人物形象与把握人物感觉能力较强，对人物刻画深入细致。
姜鸿饰演莎莎，上海谢晋恒通明星学校毕业，参演作品众多。在《新永不瞑目》中，她饰演的莎莎为剧情增添了更多层次。
