Leonardo DiCaprio :Dominic « Dom » Cobb, « l'extracteur »

Joseph Gordon-Levitt : Arthur, « l'organisateur » et associé de Dominic

Ellen Page : Ariane, « l'architecte »

Ken Watanabe : Saito, « le touriste », client de Dominic

Marion Cotillard : Mallorie « Mall » Cobb, « l'ombre », épouse de Dominic

Tom Hardy  : Eames, « le faussaire », peut en rêve prendre l'apparence de quelqu'un d'autre

Cillian Murphy  : Robert Michael Fischer Jr., « la cible »

Dileep Rao  : Yusuf, « le chimiste »

Michael Caine : professeur Miles, mentor et beau-père de Dominic /père de Mallorie)

Tom Berenger : Peter Browning, bras droit de M.Fischer et parrain de Rob Michael Fischer Jr.

Lukas Haas  : Nash, associé de Dominic

Pete Postlethwaite  : Maurice Fischer, père de Robert Michael Fischer Jr.

Tai-Li Lee  : Tadashi

Jason Tendell : chauffeur de Fischer

Jack Gilroy : Cobb (vieux)

Shannon Welles : Mall (vieille)