Ryan Gosling vai KNgười nhân bản dòng Nexus-9 được tạo ra dưới vai trò là một "blade runner" cho LAPD với nhiệm vụ truy tìm và cho "về hưu" những người nhân bản nổi loạn dòng cũ. Gosling luôn nổi tiếng vì tính nghiêm khắc trong việc lựa chọn kịch bản điện ảnh cho mình, và việc tham gia vào các dự án điện ảnh có kinh phí lớn chưa bao giờ là lựa chọn hàng đầu của anh. Thứ có thể thuyết phục Gosling thường là niềm tin của anh vào tố chất của nhà làm phim và sự phức tạp trong chủ đề tác phẩm thể hiện ở phần kịch bản. Là một người hâm mộ lâu năm của Blade Runner, nam diễn viên cho biết về trải nghiệm lần đầu xem tác phẩm khi còn là một thiếu niên trẻ: "Đó là một trong những bộ phim đầu tiên tôi xem mà tôi thực sự không chắc chắn là mình nên cảm thấy như thế nào sau khi nó kết thúc. Nó thực sự sẽ khiến bạn phải tự vấn bản thân mình về khái niệm anh hùng và kẻ phản diện, và ý nghĩa của việc làm người." Gosling coi Tội phạm nhân bản 2049 như một thách thức đối với bản thân anh vì phạm vi sản xuất của dự án vô cùng lớn.Harrison Ford vai Rick DeckardCựu "blade runner" của LAPD. Ford cho biết ông cảm thấy vô cùng hứng thú khi được trở lại với vai diễn Rick Deckard cũng như với phẩn kịch bản của Tội phạm nhân bản 2049. Môi trường làm việc tại phim trường cũng là một yếu tố khác mà Ford thích thú khi nó đối lập hoàn toàn với quá trình ghi hình đầy áp lực mà ông từng trải qua khi thể hiện vai diễn này trong nguyên tác Blade Runner. Ông cảm thấy trải nghiệm khi nhập vai phiên bản Deckard về già đã thổi một làn gió mới vào câu chuyện đằng sau nhân vật này. "Câu chuyện mà tôi phải kể sẽ vượt xa ngoài những điều mà chúng ta từng biết. Nó phức tạp, khó đoán và sở hữu thứ cảm xúc mà đối với tôi giống như thể miếng mồi gắn trên lưỡi câu vậy."Ana de Armas vai JoiMột hình chiếu lập thể bằng công nghệ trí tuệ nhân tạo, do Tập đoàn Wallace thiết kế và phân phối thương mại để chung sống cùng người mua dưới vai trò tình nhân. Armas vốn là một nữ diễn viên có tiếng tăm tại Tây Ban Nha với ước muốn được tham gia vào các vai diễn nói tiếng Anh. Sau vai diễn Hollywood đầu tiên trong Hands of Stone (2016), cô chuyển tới sống tại Los Angeles nhằm tìm kiếm một vai diễn không bị phụ thuộc vào gốc gác của cô. De Armas trải qua bốn tháng luyện nói tiếng Anh trước khi tham gia quá trình thử vai. Khi công tác sản xuất cho Tội phạm nhân bản 2049 được khởi động, nữ diễn viên cho biết thời gian luyện tập thể lực đã giúp cô có được khả năng chịu áp lực cao với lịch trình quay phim dày đặc.Sylvia Hoeks vai LuvNgười nhân bản dòng Nexus-9, là trợ lý riêng và cũng là người mà Niander Wallace vô cùng tin tưởng. Với kinh nghiệm tập luyện vũ đạo trước đây, Hoeks chỉ cần bốn tháng để học hỏi các động tác võ thuật, trong đó mỗi bài tập đều tập trung vào kỹ thuật đá vòng cầu với Gosling, người có chiều cao hơn 1,8m. Ngoài ra, cá nhân Hoeks cũng khá khổ sở với kiểu tóc kỳ lạ của Luv, "Tôi thức dậy mỗi sáng và chồng tôi bảo tôi nhìn y hệt Gene Simmons. [...] Và phải mất một thời gian khá lâu sau thì tóc tôi mới dài ra trở lại."Robin Wright vai Trung úy JoshiCấp trên của K ở sở cảnh sát, chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ các blade runner ở Los Angeles. Wright cho biết nhiệm vụ của Trung úy Joshi là "gìn giữ trật tự cho thế giới tương lai ấy. Bởi vì nếu bạn không giữ trật tự, một cuộc nổi dậy sẽ bao trùm lấy toàn thể nhân loại."Mackenzie Davis vai MarietteNgười nhân bản và là một gái mại dâm, đồng thời là thành viên bí mật của nhóm phong trào thả tự do cho người nhân bản. Dù Mariette đóng vai trò quan trọng trong mối quan hệ giữa K và Joi, Davis nhận thấy rằng vai diễn của mình không hẳn là một mối nối đơn lẻ mà là về tình yêu trong cuộc sống nói chung: "Dưới góc nhìn của nhân vật [Mariette], ý nghĩa của việc làm người chính là cách trân trọng sự ngắn ngủi của cuộc sống."Carla Juri vai Tiến sĩ Ana StellineNhà khoa học thiết kế các đoạn ký ức giả mà Tập đoàn Wallace sử dụng để cấy vào những người nhân bản dòng mới.Lennie James vai Mister CottonÔng chủ điều hành một trại trẻ mồ côi chuyên thu gom phế liệu ở ngoại ô Los Angerles. Về nhân vật Cotton, James cho biết "[Cotton] được sáng tạo với phong cách của một kẻ lãnh chúa, và tôi chỉ nghĩ rằng thật thú vị khi được biến hắn trở thành một kẻ yếu ớt hơn."Dave Bautista vai Sapper MortonNgười nhân bản dòng Nexus-8 cũ, sống ẩn dật tại một trang trại protein ở khu công nghiệp ngoại ô Los Angeles. Theo Villeneuve, Bautista suýt chút nữa đã không được nhận vào vai diễn này vì "anh ấy còn quá trẻ để thủ vai". Về điều này, Baurista tiết lộ, "Trong suốt những năm tháng ở Hollywood, thường thì tôi sẽ bị bảo là quá to con hoặc quá già, chứ chưa bao giờ có ai bảo tôi quá trẻ." Nghệ sĩ hóa trang Donald Mowat đã trang điểm cho khuôn mặt của Baurista trở nên già hơn so với tuổi thật.Jared Leto vai Niander WallaceCEO và là nhà sáng lập của Tập đoàn Wallace, một doanh nghiệp thống trị dây chuyền sản xuất người nhân bản vào năm 2049. Leto hạn chế tiết lộ những nguồn cảm hứng cụ thể đã hình thành nên các khía cạnh trong tính cách của nhân vật Niander Wallace, tuy nhiên anh vẫn lấy những người bạn làm trong lĩnh vực công nghệ thông tin ở ngoài đời của mình làm nguồn cảm hứng chung. Leto nổi tiếng trong ngành công nghiệp điện ảnh với những sự chuẩn bị kỳ cục cho vai diễn của mình, và với Tội phạm nhân bản 2049 anh đã đeo một cặp kính áp tròng đục tự chế để biến bản thân thành một nhân vật mù. Villeneuve nhớ lại ngày đầu ghi hình cùng Leto: "Cậu ấy bước vào căn phòng mà mắt chẳng nhìn thấy bất cứ thứ gì. Cậu ấy bước chậm rãi cùng trợ lý của mình. Cứ như thể tôi đang thấy Chúa Giêsu đang bước vào một ngôi chùa vậy. Mọi người xung quanh đều lặng như tờ, như thể họ đang trải qua một khoảnh khắc thiêng liêng. Ai nấy đều kính sợ. Thật đẹp đẽ và quyền thế làm sao—Tôi như đã khóc khi thấy điều đó."Các cảnh phim, âm thanh và hình ảnh tĩnh của nữ diễn viên Sean Young lưu trữ từ nguyên tác phim gốc được sử dụng trong việc tái thể hiện nhân vật Rachael của cô cũng như một phiên bản nhân bản của nhân vật này do Niander Wallace tạo ra. Vẻ bề ngoài của Young được đặt chồng lên hình ảnh của nữ diễn viên Loren Peta bằng công nghệ CGI, và chính Peta cũng được Young hướng dẫn về việc tái hiện cách cô nhập vai nhân vật Rachael từ phần phim đầu. Giọng nói của người nhân bản được sử dụng dựa trên giọng của một nữ diễn viên có chất giọng giống Young. Young ngoài ra cũng được ghi nhận cho những đóng góp của bà trong dự án.Ngoài Harrison Ford, một diễn viên Blade Runner khác cũng trở lại là Edward James Olmos với vai Gaff, một nhân vật từng gắn bó với Deckard trong phần phim đầu. Dù vai diễn của ông trong tác phẩm chỉ là một nhân vật phụ, nhưng nhân vật này lại đóng vai trò quan trọng đối với cốt truyện chính. Nam diễn viên Barkhad Abdi được giới thiệu với vai diễn Bác sĩ Badger, chủ một cửa hàng đồ chợ đen. Hiam Abbass vào vai Freysa, thủ lĩnh cộng đồng ngầm theo phong trào thả tự do cho người nhân bản. David Dastmalchian vào vai Coco, nhân viên pháp y chịu trách nhiệm phân tích bộ hài cốt mà K tìm thấy. Wood Harris xuất hiện trong vai Nandez, một điều tra viên thuộc sở cảnh sát, trong một cảnh quay tại văn phòng LAPD với Gosling, Dastmalchian và Wright, tuy nhiên cảnh quay của anh được thực hiện độc lập với các diễn viên khác và bổ sung vào cảnh quay đã ghi hình sẵn trước đó. Ngoài ra, phim cũng có sự xuất hiện của Tómas Lemarquis trong vai nhân viên của Tập đoàn Wallace.
Ryan Gosling vai KNgười nhân bản dòng Nexus-9 được tạo ra dưới vai trò là một "blade runner" cho LAPD với nhiệm vụ truy tìm và cho "về hưu" những người nhân bản nổi loạn dòng cũ. [...] Và phải mất một thời gian khá lâu sau thì tóc tôi mới dài ra trở lại.