Interpretado por Sonequa Martin-Green, es una especialista científica a bordo de la USS Discovery. Michael Burnham fue la primera oficial la USS Shenzhou, donde fue llamada «número uno»,^[1]​^[2]​ hasta que fue declarada culpable de motín y sentenciada a cadena perpetua. El capitán de la Discovery, Gabriel Lorca, rescata a Michael Burnham como científico en su nave para una misión temporal con motivo de la guerra. Michael Burnham se crio siguiendo la cultura y las tradiciones de Vulcano con Sarek, y es el primer ser humano en asistir al «Centro de aprendizaje Vulcano» y a la «Academia de ciencias Vulcana».^[3]​^[4]​

El coautor de la serie, Bryan Fuller, anticipó a octubre de 2016 la emisión de los anuncios de la serie,^[2]​ pero no se crearon hasta el final del mes. Se creía que la mayoría de los personajes principales de la serie ya habían sido elegidos en ese momento, pero ninguna actriz había sido elegida para el papel principal de la serie. Esta fue una fuente de «cierto estrés interno» en la CBS, con el casting del personaje considerado «una tarea mucho más difícil» de lo esperado.^[5]​ Fueron buscadas para el papel varias actrices afroamericanas y latinas, prefiriendo una nueva cara para el papel en vez de una gran estrella.^[6]​ En diciembre, Sonequa Martin-Green fue seleccionada para el papel y se anunció el nombre en clave del personaje como «teniente comandante Rainsford».^[7]​^[8]​ Su casting fue confirmado oficialmente en abril de 2017, al finalizar su personaje en The Walking Dead, desvelando el nombre real del personaje.^[1]​ El personaje tiene un conflicto interno al ser criada por Sarek, y el productor Aaron Harberts explica que muchas de las actrices que hicieron la prueba «o se volvieron demasiado robóticas y frías o demasiado emocionales», pero Sonequa Martin-Green «fue capaz de ser distante, pero cálida, lógica, pero capaz de entregar su lado emocional a la audiencia».^[3]​

Dado que el hijo de Sarek, Spock, nunca mencionó a una hermana en la serie original, el productor ejecutivo Alex Kurtzman dijo que los detalles de la historia de Michael Burnham se revelarían de manera que no rompieran la continuidad del canon existente.^[4]​ Como protagonista de la serie, Michael Burnham no es capitán de una nave estelar, como los de las anteriores series de Star Trek, mostrando a un personaje de una nave estelar desde una perspectiva diferente: alguien que tiene una dinámica diferente con el capitán y con los subordinados, dándole un contexto más rico.^[9]​ Se la conoce como número uno para honrar al personaje del mismo nombre, interpretado por Majel Barrett, en el episodio piloto de la serie original de Star Trek The Cage,^[3]​ y fue inicialmente emitido por la CBS como el único que se llamaba número uno en el serie.^[2]​ Bryan Fuller deliberadamente le dio al personaje un nombre tradicionalmente masculino, tal como lo hizo con las protagonistas femeninas de su serie anterior. Sonequa Martin-Green decidió que el personaje llevaría el nombre de su padre biológico.^[10]​

Interpretado por Doug Jones, es el teniente comandante que sirve como primer oficial de la USS Discovery,^[11]​ y el primer kelpiano en ingresar a la Flota Estelar.^[11]​

Se anunció que Doug Jones había sido seleccionado como Saru en noviembre de 2016.^[12]​ Los kelpianos, una nueva especie creada para Discovery, fueron cazados como presas en su planeta de origen y así desarrollaron la capacidad de sentir la llegada de la muerte. Tienen reputación de cobardes en la Federación.^[11]​ Doug Jones estaba emocionado por «encontrar este personaje y su especie y desarrollarlo desde cero» y no tener que representar honrosamente a una especie previa con muchos seguidores.^[13]​ Basó la forma de caminar de Saru en la de una supermodelo,^[4]​ por necesidad, debido a las botas que tenía que usar para representar las piernas y los pies del personaje, forzando a Doug Jones a caminar sobre las puntas de sus pies.^[14]​ Los productores compararon a Saru con los personajes Spock y Data de series anteriores.^[11]​

Saru fue presentado en el estreno de la serie como un oficial de alto rango del puente de la USS Shenzhou, que recibió graves daños en el segundo episodio de la serie.^[15]​ Antes del episodio Context is for Kings, Saru se une a la tripulación de la USS Discovery.^[16]​

Voq, interpretado por Shazad Latif, es un Klingon albino, descrito como «tocado por el destino y el fuego».^[17]​^[18]​ Se somete a una cirugía para disfrazarse de Ash Tyler, un teniente humano de la Flota Estelar y ex prisionero de guerra.^[19]​^[20]​

Shazad Latif fue originalmente elegido para el papel del Klingon #Kol en diciembre de 2016, antes de su nuevo papel de reparto como Ash Tyler a finales de abril de 2017.^[21]​^[22]​^[19]​ Voq fue inicialmente anunciado como interpretado por Javid Iqbal, un actor inventado, nombre del padre de Shazad Latif, para ocultar la conexión entre los personajes.^[20]​ Shazad Latif describió a su personaje como «un personaje muy complejo, doloroso y profundo»,^[19]​ y señaló que «hay una química, una relación con Michael Burnham».^[23]​ El acento de Shazad Latif para Voq, en la versión inglesa, es de inspiración árabe y trató de mantener «una especie de faringalidad» en el acento estadounidense de Ash Tyler.^[20]​

Interpretado por Anthony Rapp, es un oficial cienctífico especializado en astromicología, el estudio de los hongos en el espacio.^[12]​^[24]​

Se anunció que Anthony Rapp había sido elegido como Paul Stamets en noviembre de 2016.^[12]​ Originalmente fue elegido para un papel diferente y más pequeño, pero cuando hablaron de actores gay que podían interpretar al personaje de Paul Stamets, los productores ejecutivos se dieron cuenta de que Anthony Rapp era el actor que querían para ese papel. No realizó el casting para ninguno de los papeles.^[25]​ Es el primer personaje abiertamente homosexual en una serie de Star Trek y los productores «querían desarrollar la sexualidad de ese personaje de la misma manera que las personas desarrollarían su sexualidad en la vida». Anthony Rapp se dio cuenta de que Hikaru Sulu fue interpretado como gay en la película Star Trek Beyond y dijo de esto que es «un agradable reconocimiento. Pero en este caso realmente se ve, en las conversaciónes con mi compañero, en nuestras habitaciones, puedes ver nuestra relación a lo largo del tiempo, tratada como cualquier otra relación sería tratada».^[26]​

Paul Stamets se inspiró en un micólogo real con el mismo nombre,^[27]​ que Bryan Fuller presentó a los guionistas de la serie al principio, tras interesarse en su investigación sobre las esporas. Las perspectivas del personaje en que la Física y la Biología son cuantitativamente lo mismo, también provienen de la investigación y las teorías reales de Paul Stamets.^[28]​

Interpretado por Mary Wiseman, es una cadete en su último año en la academia de la Flota Estelar asignada a la Discovery.^[29]​^[30]​ Trabaja bajo las órdenes de Paul Stamets a bordo de la Discovery, y se convierte en la compañera de cuarto de Michael Burnham cuando esta llega a bordo.^[30]​

Mary Wiseman fue elegida en marzo de 2017.^[29]​ Sylvia Tilly fue incluida para representar a las personas de bajo escalafón en la jerarquía de la Flota Estelar. Es «la más optimista ... tiene el corazón más grande» y Aaron Harberts la describió como «la persona espiritual de nuestro espectáculo».^[25]​ El personaje recibió su nombre en honor a la sobrina de dos años del productor Gretchen J. Berg.^[28]​

Interpretado por Jason Isaacs es el capitán de la Discovery,^[31]​ un brillante militar táctico.^[32]​

Jason Isaacs se unió a la serie en marzo de 2017,^[31]​ describiendo a Gabriel Lorca como «probablemente más destrozado que cualquiera de los capitanes de Star Trek»,^[4]​ y comparando el personaje con su interpretación de Mike Steele en la película Black Hawk Down. Jason Isaacs recibió inicialmente los dos primeros guiones de la serie, en los que no aparece Gabriel Lorca, y un primer borrador de su introducción en el tercero que iba a ser reescrito, pero aceptó unirse al elenco después de hablar de la serie y del personaje con los productores ejecutivos.^[33]​ Interpreta al personaje, en la versión inglesa, con un ligero acento sureño de Estados Unidos,^[34]​ porque quiere evitar usar su propio acento inglés y sería «una sombra muy pálida al lado del brillante Patrick Stewart, Jean-Luc Picard en Star Trek: The Next Generation» y porque «es un militar, pero puede ser inmensamente encantador. He tenido el privilegio de trabajar con los Rangers del ejército de EE. UU. en Fort Benning, y no importa de dónde vengas de Estados Unidos; si entrenas en el sur, donde están la mayoría de las bases, adquieres algún tipo de acento sureño. Y yo quería algo que diera pistas subliminales sobre el ejército».^[35]​ Jason Isaacs inicialmente quiso improvisar una frase para el personaje, pensando que todos los capitanes de Star Trek deberían tener una, como «git'r done», que los guionistas rechazaron debido a que era ampliamente utilizada y propiedad de Larry the Cable Guy.^[34]​ Comparando su personaje con la capitana Philippa Georgiou, Jason Isaacs dijo: «Georgiou es una figura materna, y no soy sentimental y no veo mi trabajo como una protección emocional [de Burnham] ni de ninguna otra manera. La veo como un recurso muy útil en esta guerra».^[35]​ Además de tener una sala de estar estándar para el capitán, Gabriel Lorca también tiene una habitación a la que llama su «Ménagerie» donde guarda cosas que recoge, incluyendo el esqueleto de un Gorn, una especie que aparentemente se descubrió más tarde en la serie original, Aaron Harberts pensanba que la presencia de este esqueleto aumentaba el misterio del personaje, ¿Cómo pudo hacerlo, y cómo el resto de la Flota no sabe de la especie, si hizo eso?^[28]​

Interpretado por Anson Mount, su personaje asume como comandante de la Discovery luego de que su nave, la Enterprise sufre daños al inicio de la segunda temporada de la serie^[36]​

Anson Mount anunció en abril de 2018 que se integraba al elenco de la serie con un tuit en donde también reveló que interpretaría a Pike y que es un fanático de la serie desde que tenía 8 años.^[37]​ A pesar de que su personaje, Christopher Pike, ya ha sido interpretado en el pasado por Jeffrey Hunter, Sean Kenney y Bruce Greenwood; Mount ofrece una versión más joven y fresca de Pike^[36]​ que puede contrastar con el tono más oscuro que ha traído la primera temporada de la serie.^[38]​

Interpretado por Michelle Yeoh, es la capitana de la Shenzhou.^[39]​^[40]​ Philippa Georgiou tiene una relación de «madre e hija» con Michael Burnham después de que esta última se uniese a la Shenzhou.^[4]​ Michelle Yeoh eligió conservar su acento chino de Malasia para el papel, otra forma en que la serie diversificó su elenco.^[41]​

También interpreta al Emperador del Imperio Terrano en la realidad espejo, el universo alternativo al que viajan en Despite Yourself.

Interpretado por Mary Chieffo, es la comandante de la cubierta de batalla de la nave Klingon.^[42]​ L'Rell es miembro de la casa de T'Kuvma y de la casa de Mo'Kai, esta última fue mencionada por primera vez durante Star Trek: Voyager. Mary Chieffo dijo que debido a esto, habría una «exploración interesante de lo que es ser de dos ideologías diferentes» para el personaje.^[43]​ Mary Chieffo miró a las mujeres Klingon vistas en Star Trek en busca de inspiración y dijo que quería que L'Rell siguiera la estela de Star Trek: Deep Space Nine.^[44]​

Interpretado por James Frain, es un astrofísico de Vulcano, padre de Spock y padre adoptivo de Michael Burnham.^[45]​^[4]​ James Frain aparece como una versión más joven del personaje interpretado por primera vez por Mark Lenard en la serie original de Star Trek.^[45]​^[46]​

Interpretado por Kenneth Mitchell, es el comandante de los Klingon y opositor a los objetivos de T'Kuvma.^[42]​^[22]​ Kol es miembro de la casa de Kor, un personaje interpretado por John Colicos en la serie original. Kenneth Mitchell describió a Kol como «complicado y poderoso»,^[43]​^[44]​ y dijo que estudió la sutil actuación de John Colicos y leyó la novela The Final Reflection para prepararse.^[44]​

Interpretado por Jayne Brook, es una almirante de la Flota Estelar. Aparece varias veces como la superior del capitán Gabriel Lorca y más tarde como su confidente. Ella y Gabriel Lorca tenían una relación romántica previa. Fue capturada por los Klingon mientras reemplazaba a Sarek como enviado de paz y se quedó en la nave de los muertos Klingon, la Sarcophagus. Sobreviviendo a su terrible experiencia, forma una extraña no amistad con L'Rell, y luego es rescatada por Michael Burnham y Ash Tyler. Su formación se basa en la salud mental y la Psicología, que fue vital para sacar a Ash Tyler de una escena retrospectiva de su trastorno de estrés postraumático el tiempo suficiente para ayudarla a escapar de la Sarcophagus. Después del rescate, regresa a la Flota Estelar.^[47]​

Interpretado por Wilson Cruz, es el oficial médico de la Discovery. Hugh Culber es pareja de Paul Stamets.^[48]​ Sobre la creación de la primera pareja gay en una serie de Star Trek, Wilson Cruz dijo que «pensaba que iba a llegar hacía mucho tiempo... Lo bueno de la forma en que la serie lo está manejando es que no es como si estuviéramos teniendo un episodio especial de dos horas sobre las relaciones homosexuales en el espacio. No es eso. Simplemente están enamorados y son compañeros de trabajo. Y espero que cuando lleguemos al siglo XXIII sea exactamente así.»^[49]​ Ash Tyler mata a Hugh Culber en el décimo episodio de la primera temporada, Despite Yourself . Pero vuelve como un clon "sin alma" capítulos después no entendiendo qué es ahora y por qué fue revivido.

• Amanda Grayson, interpretada por Mia Kirshner, es la esposa humana de Sarek. También apareció en la serie original, interpretada por Jane Wyatt.^[9]​^[50]​
• Harcourt Fenton Mudd, «Harry», interpretado por Rainn Wilson, es un estafador carismático. En marzo de 2017, Rainn Wilson fue elegido como la versión joven del personaje interpretado por Roger C. Carmel en la serie original de Star Trek,^[51]​ como estrella invitada en nueve episodios de la temporada.^[52]​^[53]​ Describió su versión como «una reimaginación, una reinvención, del mismo modo que tantas cosas han sido reimaginadas y reinventadas. Es un poco más cobarde que el original. Pero ese personaje me causó una gran impresión, y es un sueño hecho realidad tratar de darle vida con tanto drama y comedia como sea posible».^[54]​ Rainn Wilson dijo «robé muchas cosas que me encantaron de la actuación de Roger C. Carmel, y luego agregé muchas más mías».^[23]​
• Stella Mudd, interpretada por Katherine Barrell es la esposa de Harry Mudd. Una réplica androide del personaje fue interpretada previamente por Kay Elliot en la serie original.^[55]​

• T'Kuvma, interpretado por Chris Obi: Líder de una antigua casa Klingon que busca unir todas las casas Klingon.^[42]​^[56]​
• Brett Anderson, interpretado por Terry Serpico: Almirante de la Flota Estelar.^[57]​
• Danby Connor, interpretado por Sam Vartholomeos: Oficial subalterno en la academia de la Flota Estelar, asignado a la Shenzhou.^[57]​^[49]​
• Ellen Landry, interpretada por Rekha Sharma: Oficial de seguridad en la Discovery.^[22]​
• Clint Howard, interpreta a un traficante de drogas de Orion con quien Sylvia Tilly se encuentra en Qo'noS. El papel fue escrito específicamente para él.^[58]​
• Damon Runyan y Clare McConnell interpretan a Ujilli y Dennas, líderes en el Imperio Klingon, respectivamente.^[22]​
• Además, aparecen durante toda la temporada Emily Coutts como Keyla Detmer,^[59]​ Ali Momen como Kamran Gant,^[59]​ Chris Violette como Britch Weeton,^[59]​ Romain Waite como Troy Januzzi,^[59]​ Sara Mitich como Airiam,^[60]​ Oyin Oladejo como Joann Owosekun,^[60]​ Ronnie Rowe Jr. como RA Bryce,^[61]​ Conrad Coates como Terral,^[62]​ y Patrick Kwok-Choon como Rhys.^[62]​ Tasia Valenza y Julianne Grossman dan voz a las computadoras la Shenzhou y la Discovery, respectivamente.^[59]​^[60]​