《我和我的祖国》作为一部由多个导演联合执导的献礼片，其演员阵容可谓星光熠熠，汇聚了众多实力派演员和新生代偶像。影片通过七个独立的单元故事，展现了新中国成立70年来的不同历史瞬间，因此每个单元都有自己独特的演员组合。在《前夜》单元中，黄渤饰演了工程师林治远，他精湛的演技将人物在开国大典前夜的紧张与决心刻画得淋漓尽致。此外，王千源、欧豪、张译等也贡献了出色的表演，成为这一部分的核心人物。
《相遇》单元则由张译主演，他饰演了一名隐姓埋名的科研工作者，与任素汐饰演的恋人上演了一场感人至深的重逢戏码。张译的眼神和面部表情传达出复杂的情感，令人动容。而《夺冠》单元中，吴京和马伊琍扮演了成年后的主角，但更引人注目的是小演员韩昊霖，他饰演的小男孩冬冬天真又勇敢，成为了该单元的亮点。此外，还有《回归》单元的杜江、朱一龙、惠英红等，分别以香港回归为主题，展现了不同角色的坚守与自豪。
《北京你好》单元是葛优的专场，他饰演的出租车司机幽默又温情，与王东、龚蓓苾等配角共同演绎了2008年奥运会的普通市民故事。而《白昼流星》单元中，刘昊然和陈飞宇饰演的流浪兄弟与田壮壮饰演的老乡长产生了强烈的情感碰撞，这一部分还特别加入了航天员的真实背景。最后的《护航》单元，宋佳、佟丽娅、雷佳音等饰演的女飞行员和队友们，以飒爽英姿展现了女性力量。整体来看，这部电影的演员阵容横跨老中青三代，从黄渤、葛优等影帝级人物到新生代演员，每个人都以真挚的表演诠释了“我”与祖国的深刻联系。
