Dr. Sheldon Lee Cooper (interpretado por Jim Parsons): es el protagonista por antonomasia de la serie, un físico teórico proveniente de la ciudad ficticia de Medford, Texas que es retratado como un joven adulto racional, vanidoso, excéntrico y soberbio. El IQ de Sheldon es tan alto que pasó del quinto año de primaria a la universidad; obtuvo su título profesional en la Texas Tech University, posee dos doctorados y una Maestría del Instituto Tecnológico de California. Suele ir vestido con un suéter y encima una camiseta con logotipos de superhéroes. Sheldon es un fanático empedernido de Star Trek (en especial de Spock), haciendo creer a sus amigos que su aguda audición se debe a su «oído vulcaniano», aunque también ha declarado que su superhéroe favorito es Flash. Debido a su cociente intelectual, su objetivo en la vida es estudiar a exactitud y llegar a resolver la teoría de cuerdas a fin de obtener un Premio Nobel de Física (aunque en la séptima temporada, decide cambiar de campo de estudios). Sheldon tiene varios defectos de personalidad, como ineptitud social, absoluta falta de empatía, inmadurez emocional, humor negro, tendencias racistas involuntarias y es incapaz de detectar el sarcasmo; por todo esto se cree que sufre el síndrome de Asperger (aunque los guionistas niegan que el personaje sufra dicho síndrome argumentando que «simplemente es así»). En muchas ocasiones, se ha demostrado que le tiene fobia a la sangre al punto de desmayarse cuando ve una sola gota de ello. En cuanto a su familia, su padre murió de un ataque al corazón cuando era adolescente y su madre es algo conservadora pero de buen carácter, aunque a Sheldon no le gusta como es ella. En la quinta temporada, Sheldon entabla una relación con Amy Fawler, con quien tuvo su primera relación tras años de desinterés y haberse conocido en la cuarta temporada. Al mismo tiempo, debido a su personalidad y su carácter, se gana enemigos famosos como Bill Nye, Stan Lee, Leonard Nimoy (estos solicitan una orden judicial para que Sheldon no los persiga u hostigue) y Stephen Hawking, que es la única persona que Sheldon no puede ridiculizar debido a que Hawking lo supera en todos los aspectos científicos; además de Leslie Winkle, su compañera de trabajo en la universidad, que conoce los defectos y el accionar de Sheldon, y los usa en contra de él. Del grupo de amigos, Sheldon es el más irritante y molesto debido a su carácter, como muestra de ello las disputas que mantiene con Howard por el hecho de no ser doctor; su mejor amigo es Leonard, con quien comparte apartamento. Le encanta decir la palabra «Bazinga» (o «zas en toda la boca» en el doblaje de España) cuando alguien cae en una de sus bromas.

Dr. Leonard Leakey Hofstadter (segundo nombre en el doblaje en español: Simeón)( interpretado por Johnny Galecki): es un físico experimental, proveniente de Nueva Jersey, donde obtuvo su doctorado a los 24 años de edad en la Universidad de Princeton; su cociente intelectual es de 173. Generalmente, a Leonard se lo ve usando una chaqueta o campera junto a una camiseta de mangas cortas y un pantalón, por no olvidarse de sus distintivas gafas. Leonard es un fanático de los cómics y los videojuegos, además de ser intolerante a la lactosa y padece miopía. En cuanto a su familia, sus padres son científicos divorciados, lo que crea un odio constantemente demostrado de la madre de Leonard hacia su padre. Su madre es totalmente estricta debido a su carrera de psiquiatra con especialidad en neurociencia, lo que hace que Leonard se sienta incómodo, incluso se asume que él y su mejor amigo Sheldon «nacieron con las madres equivocadas», ya que se demuestra llevarse bien con la madre de este último. Tiene un hermano menor llamado Michael, in catedrático de Derecho en Harvard y su hermana acaba de conseguir hacer crecer un páncreas humano en un gibón adolescente, lo que hace a Howard cuestionarse sobre sus planes de vida. Leonard está enamorado de su vecina Penny, de la cual recibe ambiguas respuestas hasta que finalmente, para sorpresa de sus amigos, inician una relación de noviazgo en la tercera temporada que sería intermitente a lo largo de la serie; ambos se casan en la novena temporada y en el final de serie, esperan a un bebé. Del grupo, él es el más sociable, aunque no ha tenido suerte con las mujeres (al igual que Raj y Howard) más allá de Penny y Leslie, en gran parte a su timidez y actitud de nerd. También es el más emocional y comprensivo de la serie, lo cual a veces contrasta con la personalidad de Sheldon, causando situaciones divertidas. El mayor logro de Leonard fue viajar al Mar del Norte en un barco comandado por Stephen Hawking, en vías de investigaciones científicas. Como dato adicional, Leonard es responsable de que el ascensor que se encuentra cerca de su apartamento quedara defectuoso, como él mismo ha revelado en un episodio.

Howard Joel Wolowitz (interpretado por Simon Helberg): es un ingeniero mecánico con maestría en ingeniería aeroespacial en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, proveniente de una familia judía y con una actitud extraña. Howard es el único de los varones que no tiene un doctorado (solo tiene un máster), lo cual desata las burlas de Sheldon. Suele vestirse con ropa ajustada, psicodélica y algo retro; su peinado no es nada alejado de su vestimenta. En cuanto a su familia, es bien sabido que su madre es alguien abusiva, irritante e incómoda, lo que hace que Howard se sienta avergonzado de ella en todo momento; en la serie era recurrente que él y su madre se comunicaban gritándose entre sí. Tras la muerte de su madre en la octava temporada, se revela que Howard tiene un medio hermano que resulta ser oceanógrafo. Sus situaciones llevan a que su objetivo en la vida sea tener una buena esposa y una buena familia; objetivo conseguido con Bernadette, comprometiéndose con ella en la cuarta temporada y tiempo después, casarse en el final de la quinta temporada. Además de la ingeniería y los videojuegos, Howard es un experto poliglota; puede comunicarse en inglés, francés, mandarín, ruso, persa, árabe, klingon e incluso lengua de signos americana. Tiene una solida relación con el resto de la pandilla, aunque ha tenido discusiones con Sheldon debido a que este lo molesta con no tener doctorado; sin embargo, con quien mejor se lleva es con Raj, incluso se ha teorizado que ambos se atraían. Al principio de la serie, se le presenta como un personaje pervertido y morboso debido a la poca relación que tiene con mujeres a excepción de su madre (y a veces, Penny), lo cual dejó de serlo gracias a conocer a Bernadette, pues se convierte en un hombre más recatado. El mayor logro de Howard fue haber trabajado en un proyecto secreto de la NASA de eliminación de residuos, aunque esto pasa a segundo plano cuando forma una familia con Bernadette.

Dr. Rajesh «Raj» Ramayan Koothrappali (interpretado por Kunal Nayyar): es un astrofísico proveniente de la India, dejando a su adinerada familia trasladándose a los EE. UU. para terminar sus estudios en Harvard. A lo largo de la serie, Raj suele usar prendas modernas, aunque su tez morena resalta su origen hindú. Cuando Raj deja de ser tímido, llega a salir con muchas mujeres, pero se siente fracasar por ser excesivamente cursi; con el tiempo, acepta ser el único soltero de los protagonistas masculinos cuando irónicamente era el que mayor éxito amoroso tenía. Antes de ello, estaba en una relación con Emily Sweeney, su pareja más conocida y duradera, aunque terminaron luego de que Raj se enamorara de otra mujer llamada Claire. Es igual de presumido que su mejor amigo Howard, aunque suele verse más desesperado. Debido a su profesión, el mayor logro de Raj fue haber descubierto un planeta más allá del Cinturón de Kuiper al que denominó Planeta Bollywood, lo que le valió para salir en la revista People. Del grupo de amigos, es el más tímido y más vergonzoso de todos debido a su estado de ebriedad para contrarrestar su trastorno. En las últimas temporadas se le presenta como un personaje metrosexual, logrando que la primera impresión que la gente tiene de él sea sobre su «homosexualidad».

Penny (interpretada por Kaley Cuoco): es la vecina de Sheldon y Leonard en el edificio donde reside; Penny también fue la única protagonista femenina en las dos primeras temporadas. Proveniente de Nebraska, ella trabajaba como camarera en el restaurante The Cheesecake Factory, hasta que deja ese trabajo en la séptima temporada para empezar a ser actriz, aunque no tiene mucha suerte al principio, y a partir de la novena temporada, Penny empieza a trabajar como representante de ventas en una empresa farmacéutica. Penny es retratada como una chica rubia, joven, guapa y algo extrovertida. Como objetivo de la educación, sus padres la educaron de manera convencional, lo que la hace muy distinta de sus amigos, siendo la única que tuvo una buena juventud. Sus relaciones sentimentales siempre han sido malas, lo que la hace ver como alguien experta en ese tema; posteriormente, se enamora de Leonard, con quien había estado en una relación intermitente hasta la novena temporada, cuando ambos se casan. Aunque Leonard es su pareja, tiene cierto nivel de trato amoroso con sus amigos en especial con Sheldon, con el que se comporta un poco maternal y protectora. En el final de serie, se revela que Penny y Leonard estaban esperando un bebé. Del grupo de amigos, Penny es la más alegre y la única de la cual no se conoce su apellido.

Dra. Amy Farrah Fowler (interpretada por Mayim Bialik): es una neurobióloga, que comenzó a aparece a partir del episodio The Lunar Excitationde la tercera temporada, pero fue ascendida a personaje principal en el episodio The 21-Second Excitation. Amy se caracteriza por vestirse con ropas de apariencia de una persona mayor y utiliza gafas; tiene ojos celestes, y el pelo castaño lacio. Como objetivo de la educación, Amy resulta ser muy anticuada y algo perturbante en sus conversaciones, teniendo algunas tendencias homosexuales al tratarse de Penny, debido a que ella la considera su «amiguis». Su objetivo en la vida es ser amada y correspondida por un hombre y cree que ese alguien es Sheldon, con quien tiene su primera cita, su primer beso y su primera vez como pareja. Sheldon usa un juego de palabras (en inglés) para describirla, diciendo que es una «chica que es su amiga, pero no es su novia» (en inglés, «She is a girl who's a friend, but not my girlfriend»). En el transcurso de la serie, Amy se muda con Sheldon debido a una inundación en su casa, aunque tras haber reparado los daños de esta, sigue viviendo con él pues se siente cómoda, aunque lo mantiene en secreto. Al enterarse de esto, Sheldon lo toma bien y deciden vivir juntos en forma oficial. Lleva una solida amistad con el resto de la pandilla, considerado a Bernadette como su mejor amiga.

Dra. Bernadette Marian Rostenkowski (interpretada por Melissa Rauch): es una camarera y doctora microbióloga, que también comenzó a aparecer desde la tercera temporada; es rubia, guapa y de baja estatura. El objetivo de Bernadette en la vida es ser una mujer independiente a través de su trabajo, lo cual hace al obtener su doctorado trabajando en una farmacéutica. Como objetivo de la educación, su padre era sobreprotector por ser su hija predilecta, lo que hace que Bernadette sea amable y considerada con todos. No obstante, Bernadette ha tenido lapsos de desquicio y alto estrés, sobretodo tras conocer a su suegra. En la cuarta temporada, Bernadette comienza una relación amorosa con Howard, a quien conoció gracias a Leonard, casándose en el final de la quinta temporada; antes de conocer a su esposo, tuvo algunos novios más altos y más preparados que Howard, lo que hace que se sienta intimidado por ellos. Del grupo de amigos, es la de menor estatura y la más excéntrica. Para Bernadette, tanto Penny como Amy son sus mejores amigas.

Stuart (interpretado por Kevin Sussman^[3]​): es el dueño de la tienda de cómics a la que van dos veces a la semana Sheldon, Leonard, Howard y Raj.Tiene estudios en una escuela de Arte y al igual que los antes mencionados, Stuart es medio nerd, fanático de los cómics y muy buen dibujante. Su objetivo en la vida es poder ser admitido en un círculo social, ya que tiene mala suerte para hacer amigos o tener una novia. El hecho de dibujar tan bien le sirvió para invitar a salir por primera vez a Penny (ella había ido a la tienda de cómics y le regala su retrato a cambio de su número telefónico); si bien, jamás hubo algo especial entre ellos, Stuart dijo sentirse afortunado de besarla. Cuando su tienda se incendia, Stuart se queda sin trabajo y sin hogar, hasta que Howard le ofrece trabajar como enfermero de su madre, diciéndole que tendrá dinero y hogar. Aunque no es parte del grupo de amigos, eventualmente fue incluido en reemplazo de Howard cuando este fue al espacio.

Wil Wheaton: es durante buena parte de la serie uno de los archienemigos de Sheldon. Este intenta sabotearle cada vez que se cruzan, siendo Sheldon el que sale escaldado. En un torneo de cartas, Wheaton hizo que Sheldon perdiera usando una mentira sobre su abuela que este creyó; al saber que fue engañado, le juró odio eterno pero le perdonó al regalarle una figura de él firmada, volviéndose amigos.

Emily Sweeney (interpretada por Laura Spencer): es una dermatóloga en el Hospital Huntington e interés amoroso de Raj. En la septima temporada, ella conoce a Raj y en la siguiente, Raj la presenta como su novia; desarrolla aversión hacia Penny por haber tenido «algo» con Koothrappali. Raj deja la relación en el episodio The Valentino Submergence de la nove temporada, debido a que conoció a otra chica que le trae dudas acerca de su relación con Emily, y su posterior ruptura un día antes de San Valentín. Episodios después, Emily llama a Raj supuestamente para conversar pero terminan volviendo, y Raj sale con Emily al mismo tiempo que sale con Claire de manera informal.

Leslie Winkle (interpretada por Sara Gilbert): es una físico experimental que tiene sexo casual con Howard y Leonard. No se lleva bien con Sheldon y se burla frecuentemente de él.

Dra. Beverly Hofstadter (interpretada por Christine Baranski): es la madre de Leonard y suegra de Penny, que ejerce como psiquiatra y neurocientífica; posee una actitud insensible y pedante. Mantiene una relación extremadamente distante con Leonard pero se lleva muy bien con Sheldon, ya que comparten características de personalidad similares. Evalúa psicológicamente a todos constantemente, lo que desata vergüenza por parte de su hijo. Por ejemplo, le preguntó a Howard y Raj si ya habían «aceptado» sus latentes sentimientos homosexuales. En su segunda aparición, Penny la emborracha, lo que causa que bese a Sheldon. Tuvo su aparición en los episodios The Maternal Capacitance y The Maternal Congruence. Por último, aparece en el episodio The Maternal Combustion de la octava temporada, junto a Mary Cooper, la madre de Sheldon. Mantiene una buena relación con Penny tras haberse casado con Leonard.

Mary Cooper (interpretada por Laurie Metcalf): es la madre de Sheldon y suegra de Amy, que a diferencia de su hijo ateo, es una cristiana devota. Tiene dos hijos además de Sheldon, incluyendo la hermana melliza de este, llamada Missy. No es intelectual ni superdotada, pero es muy perspicaz y la única persona capaz de controlar a Sheldon cuando sus amigos no saben qué hacer y la llaman para que acuda a resolver la situación con su autoridad. Es muy buena, amable y cariñosa, y se lleva realmente bien con Leonard. Tiene una relación muy distante con Sheldon, puesto que son tan diferentes que no llegan a entenderse bien. En ocasiones, debido a su modo de pensar conservador, hace comentarios racistas hacia otras culturas y personas.

Barry Kripke (interpretado por John Ross Bowie): es el colega físico de la Universidad de Caltech en la que trabajan Sheldon, Leonard, Howard y Raj. Es arrogante, competitivo, tiene un problema fonético (llamado rotacismo) y posee muy pocos modales. Sheldon, usando su «Algoritmo de la Amistad», trató de ser su amigo con el objeto de tener mejores accesos a los laboratorios de la Universidad, pero como Kripke no tenía mayor injerencia, fue automáticamente desechado como «amigo». Desde ese momento, ha pasado a ser el principal rival de Sheldon, aparte de Leslie Winkle. Desafió a Sheldon a una pelea de robots, que finalmente ganó, y no pierde oportunidad para burlarse de él.

Missy Cooper (interpretada por Courtney Henggeler): es la hermana melliza de Sheldon. Vive en Texas cerca de su madre y trabaja como camarera en Fuddrackers. De niños, Missy golpeaba constantemente a Sheldon tras decirle que cerrara los ojos para darle una sorpresa. A ella le gustaba Raj y el sentimiento era recíproco, pero debido al mutismo selectivo de él no llegaron a ser pareja.

Bert Kibbler (interpretado por Brian Posehn): es un geólogo en la Universidad de Caltech. Es amigo de la pandilla. Es muy tímido. Sheldon siente envidia de él por haber ganado la beca MacArthur. Más tarde Sheldon no quiere que le vean trabajando con él ya que considera que la geología es una ciencia inferior. Bert se ofende y acaba trabajando con Leonard.

Priya Koothrappali (interpretada por Aarti Mann): es la hermana menor de Raj. Tiene una aparición más continua en la cuarta temporada, donde mantiene una relación sentimental con Leonard, provocando los celos de Penny. En el último capítulo de la cuarta temporada pelea con Leonard pues aparentemente ella regresaría a la India . Sin embargo, deciden llevar una relación a distancia vía Skype pero en The Good Guy Fluctuation de la quinta temporada terminan la relación cuando Priya le confiesa que lo engañó con su exnovio.

Sra. Wolowitz (interpretada por Carol Ann Susi): es la madre de Howard Wolowitz. Por primera vez en la serie, durante el capítulo 24 de la séptima temporada, Stuart menciona el nombre de la Sra. Wolowitz, a la cual llama «Debbie». Siempre se comunica en su casa a voces con su hijo Howard. Se la suele describir como una señora especialmente gorda. Howard tiene una relación difícil con su madre y vivía con ella hasta el final de la cuarta temporada, aunque prefería decir que ella vivía con él. En el capítulo 126, el 15 de la sexta temporada se la ve pasando fugazmente por la cocina de su casa mientras se escuchan sus gritos. También aparece en el capítulo 24 de la quinta temporada en la boda de Howard con Bernadette, en el momento en que la cámara se aleja desde la azotea hacia el espacio, podemos verla en una orilla usando un gran vestido rojo. Muere en la octava temporada y, según la explicación de Howard, «Tomó una siesta y no volvió a despertar».^[4]​