劉啟和他所在的救援小分隊，客服各種困難將燃料送達，重啟了反應堆使地球得以繼續流浪前行。劉培強是個宇航員，使命感極強，最後駕駛飛船進入地球和太陽之間併成功引爆混合氣流，使地球擺脫了被太陽吞噬的危機，最後地球成功到達目的地。

吳京 飾 劉培強。華人民解放軍空軍飛行員，中校軍銜，“Navigator號”國際空間站工作人員。12年前因執行任務而與兒子劉啟分離，導致父子關係疏遠。電影最終為保護地球而炸燬了“Navigator號”空間站，自己也犧牲了。

屈楚蕭 飾 劉啟。劉培強之子，因長期與父親缺乏溝通而關係疏遠，性格反叛並且狂妄。電影中因為私自帶韓朵朵來到地面而遭遇了一系列危機。電影最終為保護地球而與韓朵朵等人單獨執行營救蘇拉威西三號轉向發動機的任務，扭轉了地球的命運。

趙今麥 飾 韓朵朵。北京地下城某中學學生，從小在地下城長大，從未來過地面。因為渴望看到地面世界而與劉啟一同來到了地面，卻遭遇了一系列危機。電影中為保護地球而用廣播系統央求聯合政府支援他們，最終喚醒了全世界人民的鬥志，地球轉危為安。

吳孟達 飾 韓子昂。北京地下城運輸車駕駛員，韓朵朵的爺爺。（收養的，並非親生）

李光潔 飾 王磊。華人民解放軍陸軍上尉軍銜，杭州發動機救援小組組長，受命前往杭州一號發動機執行救援任務，途中遭遇了劉啟等人，並將其強徵入伍。

屈青青 飾 周倩。華人民解放軍陸軍軍醫，軍銜未知，杭州發動機救援小組的醫護人員。

隋凱 飾 提姆。監獄囚犯，中澳混血，因機緣巧合而與劉啟等人相遇，隨後加入了營救任務。

張亦馳 飾 李一一。中國科學院後備院士，因機緣巧合而與劉啟等人相遇，隨後加入了營救任務，他研發的一套電腦軟體在電影中起到了至關重要的作用。

阿爾卡基·沙羅格拉茨基 飾 馬卡洛夫。俄羅斯空軍飛行員，少校軍銜，“Navigator號”國際空間站工作人員，是劉培強的工作搭檔。