Christian Bale som John Connor. Sam Worthington som Marcus Wright. En hybrid av mennesker og robot. Anton Yelchin som Kyle Reese som blir sendt tilbake i tid for å beskytte Sarah Connor, og dermed sikre overlevelsen av menneskeslekten. Moon Bloodgood som Blair Williams. En pilot i motstandsbevegelsen. Bryce Dallas Howard som Katherine Brewster-Connor. Kone til John Connor og datter av en av Skynets grunnleggere Robert Brewster. Common som Barnes. Johns nestkommanderende. Jane Alexander som Virginia. Leder for en gruppe menneskelige flyktninger. Helena Bonham Carter som Dr. Serena Kogan / Skynet: En vitenskapelig vitenskapsmann fra Cyberdyne, som overbeviser Marcus Wright om å donere kroppen hans til hennes vitenskapelige forsøk. Michael Ironside som General Hugh Ashdown. Leder for motstandsbevegelsen. Roland Kickinger og Arnold Schwarzenegger som terminator T-800 Jadagrace Berry som Star. En 8 år gammel jente, som ble stum etter omfattende trauma på grunn av opplevelser i den post-apokalyptiske verden.