El personaje central de la serie es Sheldon Cooper (Jim Parsons), un físico teórico con un coeficiente intelectual descomunal… que resulta ser inversamente proporcional a su capacidad para empatizar con el resto de las personas: para él, las normas básicas de convivencia son un misterio. Consciente de su genio para la ciencia, trata al resto de personas con una mezcla de desprecio y condescendencia.

Su mejor amigo es Leonard Hofstadter (Johnny Galecki), un físico experimental. Dentro del grupo, es el personaje menos ‘friki’ de todos. Bajo de estatura y tímido, tiene un carácter afable y su actitud dialogante lo convierte en el nexo de unión dentro del grupo. Se muestra débil y enamoradizo ante las mujeres.

El grupo lo completan Howard Wolowitz (Simon Helberg) y Rajesh Ramayan Koothrappali (Kunal Nayyar); el primero es un ingeniero industrial, de origen judío, que aún vive con su madre y que está obsesionado con tener relaciones sexuales con cualquier mujer… carece de ética y no duda en aprovecharse de “borrachas, gordas o chicas sin autoestima”; el segundo es un astrofísico nacido en La India con un carácter extremadamente tímido: de hecho, es incapaz de hablar con mujeres si no está bajo los efectos del alcohol.

El principal papel femenino de la serie es el de Penny (Kaley Cuoco), una joven atractiva y divertida que procede de Omaha, un pueblo del estado de Nebraska. Penny se ha instalado frente al piso en el que viven Sheldon y Leonard. Trabaja como camarera pero desea convertirse en actriz. Encarna a la típica chica ‘popular’ en el instituto, que acaba fracasando cuando se hace algo mayor y que suele relacionarse con chicos atractivos… pero superficiales.

Otros personajes femeninos que tienen una presencia significativa en la serie son Amy Farrah Fowler (Mayim Bialik), Bernadette Rostenkowski (Melissa Rauch) y Leslie Winkle (Sara Gilbert); todas ellas aparecen en diversos capítulos como ‘parejas sentimentales’ de los personajes masculinos (Sheldon, Howard y Leonard, respetivamente).