★唐国强(饰演毛泽东)
这是他从1996年以来第14次在银幕上扮演毛泽东，今年唐国强56岁，而1949年的毛泽东，正好也是56岁。经过多年的揣摩，唐国强无论是从气质还是形象，都非常切合当时毛泽东的状态。
★张国立(饰演蒋介石)
张国立透露，最开始自己辞演这个角色，就是因为觉得和人物外形差距大，后来在韩三平的多次劝说下才答应出演。他说为了让自己的外形像蒋介石，“我拼命减肥!每天只吃一顿饭，饿得头昏眼花，半个月时间，从146斤瘦到135斤。”张国立还表示，“一般特型演员化装要花费很长时间，像我化蒋介石的装，需要4小时。拍摄前还要垫鼻子，戴牙套，很辛苦。”
★许晴(饰演宋庆龄)
说到自己演的宋庆龄，许晴曾表示：“导演找到我，希望我演宋庆龄，说我特别合适。其实在中国，要找谁特别像宋庆龄是很难的，再说我也不是那种特型演员，我也不会迅速吃成宋庆龄那么胖，还要扮成比我大很多的宋庆龄。他们看中的可能是我的‘神似’吧，导演希望一个有‘气场’的人来演宋庆龄，于是找到了我。”
★邬君梅(饰演宋美龄)
继《宋家三姐妹》之后，邬君梅再度扮演宋美龄，她说12年后再演宋美龄，自己演戏的感觉成熟了，连穿旗袍的感觉都不一样了。谈及和“蒋介石”张国立的合作，邬君梅称一到片场就喊张国立“darling(亲爱的)”培养感觉。
★陈坤(饰演蒋经国)
在历史上第一位饰演蒋经国这一角色的陈坤，给观众们展现了他前所未有的硬朗形象。制片人韩三平，导演黄建新、陈凯歌都对陈坤的表现赞赏有加，称陈坤的表现出乎他们的意料。韩三平更是表示，陈坤演出了一个军人的气质。重头戏是与张国立饰演的蒋介石之间的父子之情和与冯小刚饰演的黑帮老大的冲突。
★李连杰(饰演陈绍宽)
他在片中一袭黑色制服、头发梳得油亮。他的戏份是在吧台边，喝着红酒与一位老者聊天，台词只有三句：“八年了，为国捐躯，那是种荣誉”、“再打?打谁?中国人打中国人，到时候我不干”、“我要解甲归田”。据悉，片酬过亿的李连杰出演这个角色并不收取任何报酬。
★刘德华(饰演俞济时)
蒋介石侍从室主任俞济时戏份虽然不多，但台词颇多，刘德华只花了12个小时就完成了自己的戏份。剧情讲述蒋介石密谋在开国大典时轰炸北京，交由刘德华扮演的副官俞济时来执行。但老蒋派出的飞机从台湾起飞，到北京要飞三四个小时，而且轰炸后飞机因油不够很难飞回去了，当时俞济时出主意，说希望借用韩国的美军基地，最后遭到美军拒绝，阴谋破灭。
★成龙(饰演记者)
客串一名采访时任国民党革命委员会主席李济深的记者，梳着那个时代比较流行的“包头”，换上了当时流行的中山装，成龙尽管只是客串一个镜头，据说带了14个助手，当然成龙客串《建国大业》也是“零片酬”。
★黎明(饰演蔡廷锴)
黎明在片中客串首届全国政协会议民主党派代表蔡廷锴，他褐色西装、背头的造型，与其在《半生缘》中的沈世钧极其相似。黎明表示虽然很多演员在片中都是客串，彼此无法见面，但想到这么多演员会出现在同一部电影里，确实是一件有趣的事情。
★冯小刚(饰演杜月笙)
杜月笙是上海滩的黑帮老大，冯小刚的造型是黑色中式短衫搭配尼龙礼帽，典型旧上海风格的小圆黑墨镜，身边经常是十多位黑帮护卫，无论从扮相还是阵势，这个杜月笙和他在《功夫》中扮演的“鳄鱼帮老大”都有几分相似。
★陈凯歌(饰演冯玉祥)
他的戏份出现在影片的开始部分，不过一出场就遇难了。作为国民党革命委员会的创始人之一，毛主席曾给他写信邀请他参加政协会议。
★姜文(饰演毛人凤)
毛人凤是国民党军统头子，姜文穿军装、叼雪茄，派头十足。姜文的戏份也不多，他的重头戏是与“蒋介石”张国立的秘密商谈。姜文的台词说得干脆利落，导演韩三平也忍不住喝起了彩。
