刘昊然饰演沃德乐，流浪兄弟之哥哥。
陈飞宇饰演哈扎布，流浪兄弟之弟弟。
田壮壮饰演老李，村官，退休扶贫办主任。
江珊饰演李婶，老李妻子。
徐峥饰演节目主持人。
吴京饰演陈冬冬，奥运乒乓球金牌教练。
刘涛饰演小美妈妈。
马伊琍饰演赵启美，海归物理学家。
张建亚饰演张伯伯。
杜江饰演朱涛，升旗手。
朱一龙饰演宋月强，护旗手。
王洛勇饰演安文彬，外交部礼宾司副司长，交接仪式总指挥。
惠英红饰演连姐，女港警。
任达华饰演华哥，钟表师傅，莲姐丈夫。
黄渤饰演林治远。
王千源饰演杜兴汉。
欧豪饰演梁昌寿。
梁静饰演林治远妻子。
佟大为饰演罗浪。
张译饰演高远。
林治远，由黄渤饰演。开国大典设计电动升旗装置的工程师，他克服了恐高症，完成了这项任务。
高远，由张译饰演。参与原子弹研制的青年科学家。
方敏，由任素汐饰演。高远的恋人，她一直在寻找高远的下落。
陈冬冬，由吴京饰演。小男孩时的乒乓球教练。
朱涛，由杜江饰演。负责天安门广场的整理工作。
莲姐，由宋佳饰演。朱涛的爱人。
张北京，由葛优饰演。帮助林治远完成升旗任务的工作人员。
