《天狼星行动》的主演包括：
刘恩佑 饰演 李银龙
梁爱琪 饰演 王玉婷
张光北 饰演 楚云飞
王奎荣 饰演 王玉山
朱子岩 饰演 李天明
周知 饰演 李天翼
李成儒 饰演 王玉海
刘劲 饰演 刘天明
张磊 饰演 张天翼
李光洁 饰演 李天翼的儿子李天翔
李佳航 饰演 李天翼的儿子李天阳
李梦 饰演 王玉婷的女儿王玉婷
王媛可 饰演 王玉婷的妹妹王玉娟
李光洁 饰演 王玉婷的丈夫王玉山
张磊 饰演 王玉海的弟弟王玉海
李佳航 饰演 王玉海的弟弟王玉海
张磊 饰演 王玉山的弟弟王玉山
1、陈秋雪
演员 周知
八路军战士，“天狼星行动队”队长，八路军战士，沉着冷静有智慧，身手了得，会根据不同的情况变化不同的身份。为了任务需求而假扮舞女，率领一批身怀绝技的战士们，不畏牺牲地与日军在敌后展开了一系列紧张激烈的殊死战斗。
2、王春梅
演员 朱子岩
路军战士，性格冷静果断，有着矫健的身手，曾亲眼目睹日本人屠杀全村乡亲。作为唯一的幸存者，她从此与日本人有着不共戴天的国仇家恨。在生活中极其感性，在工作中却能仗义果断，被上级选中加入到“天狼星行动队”后便总能出色完成各项高难度的秘密任务。
3、廖武
演员 刘恩佐
“天狼星行动队”教官，前国军参谋，帅气英武，极具智慧，做事严谨有规划。他带领着“天狼星行动队”以非凡的勇气和智慧与残暴的日本侵略军对抗，完成一个个看似不可能的任务。
4、沈柱成
演员 吕一丁
“天狼星行动队”的总指挥，也是八路军的指挥员。不单会出谋划策，更敢勇猛地乔装成日本军官潜伏到敌营。表面随和，但遇事谨慎，思维缜密且作战丰富，在战场临危不乱且指挥得当，是整个行动队的精神导师
