Ryan Reynolds como Deadpool / Wade Wilson
Un mercenario bromista con curación acelerada pero con graves cicatrices en su cuerpo después de someterse a una mutación regenerativa experimental para tratar el cáncer terminal. El escritor Rhett Reese describió la película como un pez fuera del agua para Deadpool, quién es un lunático arrojado al «mundo muy cuerdo» del Universo cinematográfico de Marvel (UCM). Reynolds dijo que el público no tenía que tomar en serio a Deadpool, particularmente con su ruptura de la cuarta pared y su narración poco confiable, pero quería que se involucraran en los otros personajes.
Hugh Jackman como Wolverine / Jamese “Logan” Howlett:
Un mutante con habilidades curativas, garras retráctiles y un esqueleto infundido con adamantium. Esta versión del personaje es de un universo alternativo donde decepcionó a los habitantes. Esto, junto con emparejar a Wolverine con Deadpool, le permitió a Jackman explorar nuevos aspectos del personaje que en sus apariciones anteriores en la serie de películas de los X-Men de 20th Century Fox. Jackman dijo que Logan y Wilson eran opuestos y tenían una «dinámica de peleas», mientras que el director Shawn Levy dijo que su relación se ve afectada por el hecho de que ambos personajes están «atormentados por el arrepentimiento». Para prepararse para el papel, Jackman comenzó una vigorosa rutina de ejercicios que incluía comer hasta 8.000 calorías al día.
Emma Corrin como Cassandra Nova:
Una mutante con poderes telequinéticos y telepáticos que es la hermana gemela de Charles Xavier. Corrin estaba emocionada de interpretar a un villano en la película, ya que no habían interpretado muchos papeles de villano antes. Corrin se inspiró en el personaje de Hans Landa, Christoph Waltz en la película Inglourious Basterds (2009), mientras que Reynolds destacó la humanización de Corrin y la motivación del personaje, comparando la «travesura, el peligro [y] la imprevisibilidad» de Cassandra Nova a la energía del actor Gene Wilder. Reynolds y Levy le explicaron a Nova a Corrin como alguien que te haría querer y encantar hasta el punto de que «serán mejores amigos de por vida» solo para darse cuenta de que ella podría matarte fácilmente. Corrin estaba entusiasmada después de conseguir que el papel trabajara con un entrenador personal para crear una transformación física para el papel, aunque los creativos la disuadieron de hacerlo porque eso no era lo que estaban imaginando para el personaje.
Matthew Macfadyen como Paradox: Un agente de la «Time Variance Authority» (TVA).
Retoman sus papeles de las películas anteriores de Deadpool, Morena Baccarin como Vanessa, la prometida de Wilson. Baccarin creía que la película reinventaría aún más la relación de Vanessa con Wilson manteniendo al mismo tiempo un elemento central que los mantiene unidos; Rob Delaney como Peter, un miembro del equipo «Fuerza-X» de Wilson; Leslie Uggams como Blind Al, la anciana ciega compañera de cuarto de Wilson; Karan Soni como Dopinder, un taxista y admirador de Wilson que sirve como su chofer de facto; Brianna Hildebrand como Negasonic Teenage Warhead, un miembro adolescente de los X-Men con el poder mutante de detonar explosiones atómicas desde su cuerpo; Stefan Kapičić como la voz de Coloso, un miembro de los X-Men con la capacidad mutante de transformar todo su cuerpo en acero orgánico; Shiori Kutsuna como Yukio, novia de Negasonic Teenage Warhead y compañero miembro de los X-Men; Randal Reeder como Buck, un enorme «tipo motociclista»; y Lewis Tan como Shatterstar, miembro de X-Force.
Actores de películas anteriores de Marvel producidas por Fox también repiten sus papeles, entre ellos: Aaron Stanford como Pyro, un mutante con la capacidad de manipular el fuego; Tyler Mane como Dientes de Sable, un mutante con garras extensibles y fuerza sobrehumana, Jennifer Garner como Elektra Natchios, una asesina que empuña un par de sai de Daredevil (2003) y Elektra (2005) También aparecen en la película: Dogpool, una variante canina de Wilson, interpretado por la actriz canina Peggy; Wanda Wilson / Lady Deadpool, una variante femenina de Wade Wilson; y los mutantes Sapo, Lady Deathstrike y Azazel. Además, Chris Hemsworth aparece como Thor a través de material de archivo reutilizado de Thor: The Dark World (2013), mientras Greg Hemphill interpreta a un bartender, y el jugador de Wrexham A.F.C. Ollie Palmer aparece brevemente como asistente del bar. Rob McElhenney hace un cameo.
