Actores

• Clark Gregg como el agente Phillip "Phil" Coulson: un agente de campo que supervisa muchas operaciones. Gregg repite el papel que interpretó en Iron Man, Iron Man 2, Thor y Los Vengadores. Sobre el personaje, Whedon declaró que nunca sería posible hacer una serie sobre S.H.I.E.L.D. sin el agente Coulson.

• Ming-Na como la agente Melinda May: dura soldado con excelentes habilidades en armamento, pilotaje y artes marciales a la que las experiencias vividas han marcado much. El nombre del personaje fue Althea Rice (apodada La caballería) durante la fase de casting.

• Brett Dalton como el agente Grant Ward: calmado y poco social aunque con temperamento y no exento de encanto.

• Chloe Bennet como Skye: una hacker civil del grupo Marea Creciente, que se une al equipo para descubrir la verdad sobre su misterioso pasado. Divertida, inteligente, cuidadosa y segura de sí misma, sabe controlar una situación mediante su ingenio y encanto.

• Iain De Caestecker como el agente Leo Fitz: un experto en tecnología de armamento. Fue alumno de Franklin Hall.

• Elizabeth Henstridge como la agente Jemma Simmons: realizó su entrenamiento junto a Fitz y ahora son inseparables. Es experta en biología y química. Fue alumna de Franklin Hall.

El actor J. August Richards interpreta a Mike Peterson, hombre corriente que recibe superpoderes y acaba convirtiéndose en el cyborg Deathlok. Cobie Smulders, que interpretó a la agente Maria Hill en el cine, fue contactada por Marvel para repetir el rol en la serie. Durante la Comic-Con 2013, Whedon anunció que la actriz sería personaje regular durante la primera temporada. El actor Ron Glass, que trabajó con Whedon en Firefly, aparece interpretando al Dr. Streiten.Samuel L. Jackson realizó un cameo como Nick Fury al final del segundo episodio y volvió para interpretar dicho personaje en el último capítulo que de la 1° Temporada. Titus Welliver repite su rol como el agente Blake del corto de Marvel Item 47 en el episodio "F.Z.Z.T." Maximiliano Hernández y Saffron Burrows debutan en el episodio "The Hub", con Hernandez repitiendo su rol como el agente Jasper Sitwell y Burrows interpretando al personaje de los cómics Victoria Hand.Bill Paxton interpretó al agente John Garrett durante cuatro episodios de la primera temporada. Jaimie Alexander repite el papel de la guerrera asgardiana Sif, que interpretó en Thor y Thor: The Dark World, en el episodio 15 de la primera temporada, en el que rastrea a la villana asgardiana Lorelei, interpretada por Elena Satine.