《我和我的祖国》主要人物有林治远、高远、方敏、陈冬冬、朱涛、莲姐、张北京、沃德乐、哈扎布等。
1、林治远
演员 黄渤
身为负责开国大典升旗仪式中电动升旗杆的设计者，他却无法保证“万无一失”，因为这同样是新中国第一个电动升旗装置，是他自主研发设计、还没有经过足够多的实验检测。他不断的克服重重困难，向来恐高的他最终克服心理障碍，爬上20多米高的广场旗杆，解决了技术问题。
2、高远
演员 张译
参与“两弹一星”工程的科研人员，作为无数国防科技战线中的一员，由于原子弹研发工作保密度极高，同事之间也互不知姓名，他三年未与家人联系，后来他因病离岗，却在公交车上偶遇曾经的恋人方敏。
3、方敏
演员 任素汐
高远的恋人，当爱人如人间蒸发般与她分别三年之后又与其相遇，虽然不能相认，但在她发现爱人与这一历史洪流相关时，她也自然卷入其中。1981年，她通过电视找到了爱人为事业牺牲的答案，也摧毁了一直坚持她生活下去的念想。
4、陈冬冬
演员 吴京（成年）、韩昊霖（幼年）
小时候的冬冬家里有一台电视，于是街坊们就让他搬来大家一起看，为了保障其他人观看比赛直播，他忙来忙去一直修电视天线，不但放弃了看比赛的机会，还无奈错过与青梅竹马的小伙伴小美的告别。三十多年后，他成为了乒乓球教练，最终与小美重聚。
5、朱涛
演员 杜江
作为升旗手，他是在中国香港升起第一面国旗的人。为了确保五星红旗分秒不差飘扬在香港上空，他刻苦训练不懈怠，在高度的精神压力下，他在鼻子内血流不止的情况下仍然保证了中国香港回归“一秒不差”。
6、莲姐
演员 惠英红
中国香港警察，华哥的妻子，她始终站在回归谈判和仪式的第一线，确保万无一失。但当所有人都能在电视前见证回归这一历史时刻时，她仍需在场馆外坚守岗位。
7、张北京
演员 葛优
一位好面子、爱吹牛，脚上穿一双红色运动鞋的北京出租车司机，因为一张北京奥运会开幕式门票，他意外与一个在地震中失去父亲的汶川男孩成为一对“欢喜冤家”，最终却放弃了去看北京奥运会开幕式的机会，将开幕式门票送给了这位汶川男孩。
8、沃德乐
演员 刘昊然
衣着破旧、灰头土脸的贫困流浪少年，是哈扎布的大哥，他没有受过正统的家庭教育，但又需要负责去做决定。作为意见的领导者，他觉得天大地大他最大。在退休扶贫办主任老李的引导下，当他见到了草原寓言中的“白昼流星”，他的内心受到了极大冲击和洗礼，最终懂得了回乡人的使命。
9、哈扎布
演员 陈飞宇
贫困的流浪少年，沃德乐的弟弟，涉世未深的他和哥哥曾在青春年少时期做过荒唐错事，而被扶贫工作者老李收留。为了怕哥哥被抓走，怕哥哥自此无法回头，他义无反顾地站了出来，天真想替哥哥背锅顶罪。而神舟十一号的降落，改变了他和哥哥的生活，改变了他们的命运，也让他们看到了新的希望。
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