本作の物語を彩る主要人物たちは、それぞれが抱える強い動機や心の葛藤によって鮮明に描き分けられています。キャスト陣の名演もキャラクターの魅力を極限まで引き上げる重要な要素です。
公式のキャラクター人気投票でも常に上位を争うメインキャスト陣の基本プロフィールと担当声優の詳細は以下の通りです。
・鹿目まどか（CV：悠木碧）
見滝原中学校に通う心優しい中学2年生。自己評価が低く誰かの役に立ちたいと願いながらも、友人想いな性格がすべての因果の起点となります。悠木碧の繊細かつ感情豊かな演技が、無垢な少女から世界を救済する存在への変遷を完璧に表現しています。
・暁美ほむら（CV：斎藤千和）
まどかのクラスに転校してきた謎めいた魔法少女。冷静沈着で冷酷にすら見える態度の裏には、たった一つの目的のために無数の時間軸をやり直してきた壮絶な執念が隠されています。斎藤千和による冷徹さと激情の演じ分けは圧巻です。
・巴マミ（CV：水橋かおり）
見滝原中学の3年生で、まどかやさやかの頼れる先輩魔法少女。優雅で面倒見が良い一方、孤立無援の戦いの中で極度の寂しがり屋という脆さを内包しています。
・美樹さやか（CV：喜多村英梨）
まどかの親友で、正義感に溢れる元気な少女。幼馴染のバイオリニスト・上条恭介の腕を治すために契約しますが、純粋すぎる正義感ゆえに精神的に追い詰められていきます。
・佐倉杏子（CV：野中藍）
隣町からやってきた利己主義を装うベテラン魔法少女。かつて家族を巡る悲劇を経験したことから「自分のためだけに魔法を使う」と決めていましたが、さやかとの出会いを通じて本来の温かさを取り戻していきます。
・百江なぎさ（CV：阿澄佳奈）
『［新編］叛逆の物語』にて登場した幼い魔法少女。「お菓子の魔女（シャルロッテ）」の本来の姿であり、チーズを愛する天真爛漫な言動と変幻自在のラッパ型武器で戦います。
・キュゥべえ（CV：加藤英美里）
地球外生命体「インキュベーター」の端末。少女たちの願いを叶える代わりに魔法少女としての契約を結ばせます。感情を持たず、極めて合理的なロジックのみで行動します。
