《海天雄鹰》的主要演员名单按出演定位分类整理如下：
领衔主演：朱亚文饰演谢振宇，侯勇饰演秦大地，李幼斌饰演衣振邦，杜淳饰演余涛，四人作为核心主演，支撑起剧集的主线故事脉络。
特别出演：王珞丹特别出演角色夏初。
特邀主演：赵达饰演康延成，郭广平饰演陶斯勇，童蕾饰演乌晓，张瑶饰演陈亚红，多位实力派演员特邀加盟，进一步丰富了剧集的人物群像。
其他主要演员：种丹妮饰演柳妮娜，王放饰演耿见林，李洪涛饰演张天一，刘芮麟饰演青年吴惊天，张光北饰演马副司令，王德顺饰演余兆年，史兰芽饰演刘敏洁，巫刚饰演舰长，郑晓宁饰演舰长，徐佳饰演青年余兆年，胡亚捷饰演侯团长，宁晓志饰演吴惊天，郭家豪饰演刘波。上述演员共同塑造了剧中不同身份的角色，围绕海军航空兵的事业与成长，共同完成了这部当代军旅作品的人物演绎，完整呈现了中国海军舰载机试飞部队的群像故事。
