דוקטור סטריינג' בממדי הטירוף
צוות השחקנים הראשי

בנדיקט קמברבאץ' – ד"ר סטיבן סטריינג' / דוקטור סטריינג': נוירוכירורג שלאחר תאונת דרכים שהובילה למסע לריפוי עצמי, גילה את העולם הנסתר של הקסם והממדים החלופיים והפך למאסטר באמנות המיסטיקה ולמכשף רב-עוצמה. התסריטאי מייקל ולדרון השווה את דמותו של סטריינג' לאינדיאנה ג'ונס בבחינת היותו גיבור שיכול "לספוג אגרוף", אך גם נושא את האינטלקט של השף אנתוני בורדיין. ולדרון קיווה גם לחקור את השפעת האירועים שסטריינג' עבר בסרטים קודמים של היקום הקולנועי על דמותו בסרט הנוכחי. בנוסף, קמברבאץ' מגלם גם משתנים מרובים של הדמות, בהם: סיניסטר סטריינג', משתנה שהושחת על ידי כוחו של ספר הדארקהולד; דפנדר סטריינג', משתנה הרואי לכאורה המשתייך לארגון הדפנדרס; וסטריינג' העליון.
אליזבת אולסן – ונדה מקסימוף / מכשפת השני: נוקמת לשעבר, שביכולתה לרתום את קסם הכאוס, לעסוק בטלפתיה וטלקינזיס ולשנות את מרקם המציאות, שהושחתה בעקבות השפעתו וכוחו של ספר הדארקהולד ומשמשת כיריבתו של סטריינג' במהלך ניסיונותיו להגן על היקומים המרובים. הסרט ממשיך את קשת עלילתה של מקסימוף העוסק ב"תביעת בעלותה על מה שמייחד אותה ובאחריותה על ניסיון חייה" שהחלה בסדרה "וונדה-ויז'ן", כשבין היתר מתבטא בשובה של מקסימוף לדיבור במבטא סוקוביאני, לאחר שהתרגלה למבטא האמריקאי. בזמן צילומי "ונדה-ויז'ן", אולסן לא הייתה מודעת להיקף העלילה של הסרט, וניסתה להבטיח שתפקידה של מקסימוף בסרט יכבד את אירועי הסדרה במקום שדמותה בסדרה תושפע מתפקידה בסרט. בנוסף, אולסן מגלמת משתנים נוספים של הדמות.
צ'ואיטל אג'יופור – קארל מורדו: משתנה מארץ-838 של מאסטר באומנויות המיסטיקה וחונכו לשעבר של דוקטור סטריינג'; המשמש כמכשף העליון וחבר בארגון האילומינטי.
בנדיקט וונג – וונג: ידידו של דוקטור סטריינג' וחבר במסדר אדוני אמנויות הכישוף, שמטרתו היא להגן על מספר מנכסיה החשובים ביותר של הקאמאר-טאג' ועל ספרי המיסטיקה השוכנים בה.
סוצ'י גומז – אמריקה צ'אבז: נערה שקיבלה בילדותה את היכולת לנוע בין יקומים על ידי פתיחת פורטלים, ומקורה ביקום אחר המכונה "המקבילה האוטופית". מנהל ההפקה והפיתוח של "אולפני מארוול", ריצ'י פאלמר, הצהיר כי כוחותיה של צ'אבז נחשבים ל"משגעים" עבור סטריינג' ו-וונג, בהתחשב בעובדה שהם מעולם לא נתקלו באדם בעל היכולות הללו ושתפקידם הוא להגן על המחסומים בין היקומים. גומז הצהירה ש"הכל משתבש לגמרי" עבור צ'אבז בסרט מכיוון שהיא "בורחת מהייחודיות שלה עד שהיא לומדת לאמץ אותה". גומז ציינה שמסעה בסרט עוסק בלמידה לבטוח ולבקש עזרה מאחרים שכן "היא שורדת והייתה לבדה כל כך הרבה זמן", ושהיא ביקשה לגלם גרסה צעירה של הדמות תוך נאמנות לדמותה בחוברות הקומיקס המקוריות.
רייצ'ל מקאדמס – כריסטין פאלמר: נוירוכירורגית וארוסתו לשעבר של סטריינג'. הסרט בוחן את החלטתו של סטריינג' בסוף הסרט הקודם להגן על הסנקטום של ניו יורק ולא להיות עם פאלמר, על אף רגשותיו כלפיה וחרטתו האפשרית על כך, יחד עם התמודדותו עם נישואיה של פאלמר. בנוסף, מקאדמס מגלמת משתנה נוספת של הדמות.
מייקל סטולברג – ניקודמוס וסט: נוירוכירורג ויריבו של סטריינג'.
בתפקידי אורח, מופיעים חברי ארגון האילומינטי, בהם צ'ארלס אקסבייר / פרופסור אקס, אותו שב לגלם פטריק סטיוארט לאחר שגילם את דמותו בסדרת סרטי "אקס-מן" של אולפני פוקס המאה ה-20, כמנהיג הארגון, פגי קרטר / קפטן קרטר, אותה מגלמת היילי אטוול לאחר שדובבה את דמותה בסדרה המונפשת "מה אם...?"; מריה רמבו / קפטן מארוול, אותה שבה לגלם לשאנה לינץ', לאחר שגילמה אותה בסרט "קפטן מארוול"; בלאקאגאר בולטאגון / חזיז שחור, אותו שב לגלם אנסון מאונט לאחר שגילם אותו בסדרה "הבלתי אנושיים"; וריד ריצ'רדס בגילומו של ג'ון קרסינסקי.
בנוסף, בסרט מופיעים טופו ורסניווירו ומארק אנתוני ברייטון, ששבים לגלם את דמויותיהם של האמיר ודניאל דראם, מאסטרים באמנויות המיסטיקה; וג'וליאן היליארד וג'ט קליין, ששבים לגלם את בניה התאומים של מקסימוף בילי וטומי, אותם גילמו אותם לראשונה במיני-סדרה "וונדה-ויז'ן". כמו כן, בסרט מופיעים דמויותיהם של המפלצת גרגנטוס, שממודלת על פי דמותו של שומה-גוראת', ושל רינטרה, ישות דמוית מינוטאור המתלמדת בקמאר-טאג', בגילומו של אדם חוגיל, והתסריטאי מייקל ולדרון כאורח במהלך חתונתה של כריסטין פאלמר. בסצנות שלאחר הכתוביות, מופיעה שרליז ת'רון בדמותה של קליאה בסצנה לאחר הכתוביות, בעוד שברוס קמפבל, שמופיע בתדירות בסרטיו של ריימי, מופיע כמסעדן של מסעדת "Pizza Poppa" ביקום חלופי, הן במהלך הסרט והן בסצנה האחרונה שלאחר הכתוביות.