אקס-מן המקור: וולברין
צוות השחקנים

יו ג'קמן: ג'יימס ג'ימי "לוגאן" האולט / וולברין: מוטנט ובעתיד חבר בקבוצת אקס-מן. ג'קמן, שגילם את וולברין גם בסרטים הקודמים, הפך גם למפיק הסרט באמצעות החברה שלו, "Seed Productions". הוא קיבל תמורת משחקו בסרט 20 מיליון דולר. ג'קמן עשה אימוני כושר בעוצמה גבוהה ויצר לעצמו משטר אימון במשקולות על מנת לשפר את מבנה הגוף שלו ולהתאימו לתפקיד. ג'קמן גם ציין שלא נעשה שום שינוי דיגיטלי בצילום שלו כשהוא יוצא מתוך מכל המים, לאחר שהזריקו לגופו את האדמנטיום.
טרוי סיוון: ג'יימס האולט בצעירותו: מנהלי הליהוק רצו ללהק אותו לתפקיד לאחר שראו אותו שר ב-"Channel Seven Perth Telethon". הוא התקבל לאחר שליחת קלטת אודישן. קודי סמית-מקפי לוהק במקור לתפקיד, בעת שהצילומים תוכננו להתחיל בדצמבר 2007, אך לבסוף הוא הצטלם לסרט המבוסס על הרומן הדרך.
לייב שרייבר: ויקטור קריד / סייברטות': אחיו למחצה של לוגאן. שרייבר וג'קמן הציגו את הקשר בין וולברין לסייברטות' כסוג מודרני של סיפור קין והבל. ויקטור שונא את לוגאן וההפך, אך עדיין הם לא יכולים להיפרד. במובנים רבים, שניהם צדדים של אותו מטבע: ויקטור חי בטבעו הפראי ומהצד השני, לוגאן נלחם באותו הטבע. השחקן הקנדי טיילר מאנה קיווה לקבל את התפקיד שנית, לאחר ששיחק את סייברטות' באקס מן, אך לא זכה בו. ג'קמן עבד עם שרייבר עוד קודם לכן, בקומדיה הרומנטית משנת 2001, קייט וליאופולד, ותיאר אותו כבעל נטייה תחרותית, הנצרכת כדי לשחק את סייברטות'. הכימיה בין השניים השתקפה במהלך הצילומים, כאשר שניהם עודדו אחד את השני לבצע פעלולים נוספים על הסט. שרייבר ביצע אימוני כושר אינטנסיביים עבור הופעתו בסרט, ותיאר את סייברטות' כתפקיד המפלצתי ביותר שהוא אי פעם שיחק. לפני הצילומים לסרט, שרייבר למד להיות כוריאוגרף לקרבות, ולכן הוא נהנה להתאמן על סצנות הקרב בינו לבין ג'קמן.
מייקל ג'יימס אולסן: ויקטור קריד בצעירותו.
דני יוסטון: ויליאם סטרייקר: שרייבר היה במקור במשא ומתן עבור התפקיד אך לבסוף קיבל את תפקידו של ויקטור קריד. בריאן קוקס, שגילם את דמותו של סטרייקר באקס מן 2, היה מעוניין לגלם את הדמות שנית. קוקס האמין שטכנולוגיית Computer-generated Imagery תאפשר לו להופיע כסטרייקר הצעיר למרות גילו, אך בסופו של דבר הוא לא קיבל את התפקיד. יוסטון אהב את העובדה שסטרייקר הוא דמות מורכבת: "[הוא] אוהב ושונא מוטנטים, כי בנו היה מוטנט וגרם לאשתו להתאבד. אז הוא מבין מה הם עוברים, אבל מתעב את הכוח ההרסני שלהם". יוסטון השווה אותו למגדל סוס מרוץ, המתגאה בניסויי המוטנטים שלו כמו ילדיו אבל נוטש אותם כאשר משהו משתבש. בנו של סטרייקר מוצג כמוקפא במתקן של נשק X כסיבה לכך שסטרייקר התחיל את תוכנית נשק XI.
Will.i.am: ג'ון ריית': מוטנט בעל כוח התעתקות. תפקיד זה של will.i.am הוא תפקיד הבכורה שלו והתפקיד הגדול ביותר שלו בסרטי פעולה. ויל אמנם בהתחלה לא רצה את התפקיד, אך הוא לקח אותו לבסוף כי הוא רצה לשחק מוטנט עם כוח זהה לכוחו של נייטקרולר. בשביל לגלם את הדמות היטב ויל נרשם למחנה אימונים כדי להיכנס לכושר. במהלך הצילומים של אחת מסצנות הלחימה, הוא צילק את פרקי אצבעותיו לאחר שהוא בטעות שבר את המצלמה באגרופיו.
לין קולינס: קיילה סילברפוקס: אהובתו האינדיאנית של וולברין, בעלת אינטרס נסתר בקשר עמו ובת ערובה של סטרייקר. יש לה כוחות טלפתיה והיפנוזה במגע, אך ויקטור חסין מפני הכוחות שלה בשל התנגדותו העל-טבעית לטלפתיה. בתיאור של תפקידה, אמרה קולינס כי "הייתי חייבת "לשחק אותה" ליד כל הבחורים והיכולות עמוסי הטסטוסטרון שלהם... אבל למדתי שכוחות השכנוע הנשיים מנצחים בקלות ניבים וסכינים ואקדחים". מישל מונאהן לא לקחה את התפקיד, למרות ההתלהבות שלה לעבוד עם ג'קמן, עקב התנגשות בין צילומי הסרט לבין פרויקטים אחרים בלוח הזמנים שלה.
קווין דוראנד: פרד ג'. דיוקס / בלוב: מוטנט עם שכבה כמעט בלתי ניתנת להריסה של עור. בסצנות הראשונות של הסרט הוא לוחם בלתי מנוצח, אבל שנים לאחר מכן, בשל תזונה לקויה, הוא צבר כמות עצומה של משקל שהופכת אותו לפגיע בהרבה. כמעריץ של סדרת סרטי אקס-מן, דוראנד יצר קשר בהקדם עם המפיקים כדי לקבל תפקיד בסרט מרגע שהופיעה הידיעה על סרט חדש שיצא בסדרה. חליפת השומן שהוא לבש לצורך הסרט התעצבה במשך כחצי שנה של שינויים ובתוכה הייתה מערכת צינורות עם מי קרח כדי לצנן אותו בזמן הצילומים.
דומיניק מונאהן: כריס בראדלי / בולט: מוטנט שיכול לתפעל חשמל (טכנופת'). בהתחלה נמסר שמונאהן הולך לשחק דמות של מוטנט אחר, אך לבסוף הוא קיבל את תפקידו של בראדלי.
טיילור קיטש: רמי לבו / גמביט: גנב קייג'וני בעל היכולת להטעין כל חפץ שהוא נוגע בו באנרגיה קינטית, דבר שגורם לחפץ להתפוצץ. גודל האובייקט קובע את עוצמת הפיצוץ שנוצר. הוא גם מיומן בשימוש בחפצים וזריז מאוד. בשל אופיו של הכוח שלו, הוא בעל עמידות טבעית יוצאת דופן. יכולת זו בא לידי ביטוי בסרט כאשר וולברין חובט בפניו במרפקו והוא חוזר להילחם מספר רגעים לאחר מכן. כשנשאל לגבי מחשבותיו על הדמות, קיטש אמר, "הכרתי אותו, אבל לא ידעתי מה הוא היה לפני כן. אני בטוח שאני עדיין עומד להיחשף לזה. אני אוהב את הדמות, אני אוהב את הכוחות, ואני אוהב את מה שעשו איתו. לא ידעתי כל כך הרבה, אבל מניסיוני, זה היה מבורך ללכת וליצור אותו כשאני מגלם אותו. אני מתרגש מזה, ניתן להגיד לכל הפחות".
דניאל הני: סוכן אפס: מוטנט חבר בתוכנית נשק X. הוא גם גשש מומחה עם כישורים צליפה קטלניים. בסרט הוא גם הוצג כבעל יכולת של קפיצת-על למרחק וגובה יוצאי דופן. כמעריץ של אקס-מן, הני אהב את תפקיד הנבל, מפני שלדעתו "אין הגבלות במשחק מסוג זה, זה מאפשר לך להביע את התכונה באופן חופשי, אז אתה יכול להתנהג איך שאתה רוצה". הני תיאר את הסרט כמציאותי ואכזרי יותר מאשר הטרילוגיה של אקס-מן.
ראיין ריינולדס: וייד וילסון: שכיר חרב חכמולוג ואתלט בעל מיומנות קטלנית בחרב, שמאוחר יותר הופך לדדפול. ריינולדס היה מעוניין לשחק את הדמות עוד בסרט משנת 2003‏. במקור, יועד לריינולדס רק תפקיד קמע קטן כוילסון, אך התפקיד גדל אחרי שהוא לוהק. ריינולדס עשה אימונים בשימוש בחרבות כדי לשחק את הדמות היטב ועשה גם אימוני כושר כדי לבנות מבנה גוף שרירי, בדומה לג'קמן.
סקוט אדקינס: נשק XI / דדפול: מוטנט ששופר גנטית בכך שקיבל כוחות מדנ"א של מוטנטים אחרים כדי להוות "רוצח מוטנטים" מושלם, וכולל גם שלד אדמנטיום וחרבות נשלפות בדומה לוולברין. גרסה זו של דדפול שונה מזו המוצגת בקומקסים, לרבות מהיעדר החליפה והמסכה אשר לרוב מאפיינות אותה. ראיין ריינולדס שיחק את נשק XI בצילומי תקריב, צילומים בעמידה ופעלולים פשוטים בעוד שסקוט אדקינס שימש כדי לבצע פעלולים מסובכים ומסוכנים יותר.
טים פוקוק: סקוט סאמרס: מוטנט בעל יכולת של פליטת קרני אנרגיה רבי עוצמה מעיניו, שמאוחר יותר הופך לסייקלופס ומנהיג את האקס-מן. הוא מוצג כאסיר במתקן של נשק X לאחר שהוא נתפס על ידי ויקטור קריד. פוקוק הוא שחקן טלוויזיה שבעבר עבד עם אופרה אוסטרליה. הוא החליט לשחק את הדמות בסגנון "שלו" במקום לבצע את סגנונו של ג'יימס מרסדן בטרילוגית אקס-מן. הוא נימק זאת מכיוון שהוא חש ש"הוא אדם שונה מאוד בשלב זה של הזמן. הוא נער. בגיל הנעורים הוא זהה לכשהוא בן 30?". פוקוק גם תיאר את וולברין כדומה לסייקלופס "ברגע המעבר הגדול", כשהדמות של וולברין מתקדמת מנער בעייתי למנהיג לאורך הסרט.
מקס קלן וג'וליה בלייק: טראוויס והתר הדסון: זוג קשישים שמטפלים בוולברין אחרי בריחתו ממתקן נשק x לאחר שהטמיעו בו את האדמנטיום.
פיטר או'בריאן: ג'ון האולט: אביו לכאורה של ג'יימס האולט, נורה על ידי תומאס לוגאן בתחילתו של הסרט.
אהרון ג'פרי: תומאס לוגאן: אביו של ויקטור ואביו ביולוגי של ג'יימס. הוא נהרג בתחילת הסרט על ידי ג'יימס המגלה באותו רגע את כוחותיו המוטנטים.
אליס פרקינסון: אליזבת האולט: אמו של ג'יימס.
טיאנה טוזי: האחות של קיילה / אמה: מוטנטית עם כוח להפוך את עורה ליהלום. בסרט היא אחותה של קיילה סילברפוקס. כותב אקס-מן 2, דן האריס, אמר שסיגורני ויבר הייתה אמורה לשחק את אמה פרוסט ב-"X-מן: המפלט האחרון", אם בריאן סינגר היה נשאר כדי לביים את הסרט. בתיאור של אמה בסרט היא לא מפגינה את היכולות הטלפתיות המסורתיות של דמותה של אמה פרוסט.