挑選飾演史提芬羅傑斯／美國隊長的演員是一項漫長和艱鉅的任務，這個角色從一個瘦弱小子變成一個壯碩的肌肉猛男，而且從一個飽受欺負，被軍方拒絕入伍N次的熱血青年變成一名英勇的領導者。製作團隊必須找到一名演員，能夠先精準地扮演一名能受到觀眾同情和尊敬的瘦弱小子，然後轉變成一名強悍並可信的領導者，並且率領隊友直接向希特勒的爪牙宣戰。

他們先列出一張演員名單，然後再一個一個剔除不合適的人選。新生代演員克里斯伊凡也在這份名單上面，他之前就曾經和漫威電影公司合作，在《驚奇4超人》以及續集《驚奇4超人：銀色衝浪手現身》中飾演強尼史托姆／霹靂火。製片費吉說：「我們很喜歡克里斯，他的名字從一開始就在我們的名單上面。」導演強斯頓則說：「我們發現克里斯符合史提芬／美國隊長這角色的所有條件，他很迷人，很有孩子氣，但是也可以很有男子氣概和領導能力，而且他的長相就像是漫畫角色。」

克里斯伊凡一開始對於接拍這部電影有點遲疑，因為這部電影的規模非常龐大，對他來說有點壓力，他說：「我又害怕又緊張，這是漫威漫畫的重要角色，而且擁有超多粉絲。我一開始真的很害怕，但是能夠扮演這角色是個榮幸，我也想把他演得完全到位。」為了幫助解除他的疑慮，製作團隊和他開會，說服他這部電影不只是一部動作片，而是關於史提芬羅傑斯這個角色的電影。克里斯伊凡說：「這真的是一個很棒的故事，史提芬有很多弱點，但是他並不會自怨自艾，他是一個心地善良、忠厚老實，擁有高貴情操的人。因為他擁有這些特質，所以才被賦予這股力量。當他成為美國隊長，他也能夠以他原來的正義感和道德觀調適他的新生活。」

他繼續說：「他身穿代表美國國旗的紅、白、藍色制服，讓我很想要成為這個角色，更別說他用他的盾牌和全新的力量對抗邪惡。但是他的能力和其他的超級英雄比起來算是小兒科，但是他卻擁有獨一無二的特質：他能讓你願意跟隨他上戰場。他也會讓你希望他是你的隊長，並不是因為他很英勇，而是因為他是個好人，他也會不顧一切保護你平安回家。至於塑造這個角色，我主要是參考漫畫中的角色，試著捕捉住他成為美國隊長之前的精神。」

除了主角克里斯伊凡以外，《美國隊長》一片網羅了好萊塢最優秀的演員，扮演片中的每個主要角色，其中包括飾演賈斯特菲力浦斯將軍的奧斯卡獎得主湯米李瓊斯；飾演約翰施密特／紅骷髏的澳洲演員雨果威明；飾演重生計劃負責人亞拉伯罕博士，曾經入圍奧斯卡獎的演技派演員史丹利圖奇；飾演美國隊長聯絡人佩姬卡特的金球獎入圍者海莉艾特沃；飾演史提芬的死黨詹姆斯「巴奇」巴恩斯的賽巴斯汀史丹；飾演富可敵國的工業家和發明家霍華史塔克的多明尼克庫柏；以及飾演納粹科學家阿尼姆索拉的陶比瓊斯。至於美國隊長率領的怒嚎突擊隊隊員則包括飾演提姆西「達姆」杜根的尼爾麥當諾、飾演蓋比瓊斯的獨立精神獎得主德瑞克路克、飾演森田的蔡肯尼、飾演賈克戴尼爾的布魯諾里奇，以及飾演蒙哥馬利佛斯沃的JJ菲爾德。

湯米李瓊斯是當代最頂尖的演員，他曾經飾演過無數令人難忘的角色，塑造出銀幕硬漢的形象，但是他也擁有說話不饒人的幽默感，正好是賈斯特菲力浦斯將軍的最佳人選。湯米李瓊斯說：「我飾演菲力浦斯將軍，一名鐵面無私的軍事將領，他也是美國隊長隸屬的部隊的指揮官。這角色是我經常飾演的角色類型，雖然話不多，但是看起來就很有威嚴。我也覺得這部電影雖然改編自漫畫，但是也反映了美國目前的狀況。不過這還是一部娛樂片，所以不但很好玩，而且很刺激過癮，我也玩得很開心。我的角色在片中老是到處命令大家，對著新兵大喊大叫，超好玩的。」

史提芬羅傑斯在《美國隊長》一片中面對的敵人是漫威漫畫史上最聲名狼藉的大壞蛋約翰施密特／紅骷髏，這個大壞蛋於1941年3月首次登場。約翰施密特早在史提芬羅傑斯加入重生計劃並被注射超級戰士血清之前，就曾經被注射超級戰士血清的原型，目的是激發一個人潛在的力量。對羅傑斯來說，他英勇和善良的天性讓他成為超級英雄美國隊長，但是施密特天性殘忍又野心勃勃，於是他就成為一個可怕的怪物，一心想要征服世界。

這是一個非常重要的角色，也是一個經典的漫畫人物，但是導演早就鎖定澳洲演員雨果威明飾演這角色。他和這位戲路寬廣的演員曾經合作過《狼嚎再起》一片，導演希望能找到一個在特殊化妝和面具底下仍然能夠表達情緒的優秀演員，而雨果威明早就以《V怪客》一片證明他既使全片都戴著面具，仍然能夠發揮他精湛的演技。製片費吉說：「最重要的是要把約翰施密特這角色烙印在觀眾的心中，所以當觀眾後來發現他其實是紅骷髏的時候，他們會了解到他本來也是一個凡人，就像觀眾先看到史提芬羅傑斯這個瘦弱小子，後來才看到他變成美國隊長。」

雨果威明承認他對紅骷髏這個經典漫畫角色並不熟悉，他說：「我完全不知道美國隊長的故事，其實我對超級英雄漫畫知道的很少，飾演這角色讓我學到很多。約翰施密特這角色是一個德國軍官，但是卻一心想要征服世界，所以就反派角色來說，我覺得他這個角色非常有趣。」他繼續說：「紅骷髏是個經典的漫畫角色，但是有關於他的故事和形象太多了，我一開始不知道該從哪裡開始揣摩他，後來我決定最好的方法就是按照劇本裡的故事來詮釋這角色。當他們把紅骷髏的造型草圖給我看的時候，我就知道飾演這角色是個挑戰，但是也一定會很好玩。」

史提芬羅傑斯在《美國隊長》一片中的愛慕對象是英國女演員飾演的佩姬卡特。佩姬卡特在原本的漫畫中替戰略科學軍團工作，飾演這角色的海莉艾特沃說：「我在讀劇本的時候，就能認同這個活在男人為主的世界中的女性角色。她的個性強悍，同時又散發一股神秘感，所以她和史提芬羅傑斯發展的感情關係絕非尋常。她是一名職業軍官，而且對自己非常有自信，她厭倦了軍中的男人都不把她當成一回事，我認為這讓她變得更堅強，尤其是對史提芬。不管他變成什麼人，他在她心中永遠是原來那個瘦弱小子，從來沒有和女人談過戀愛，他在片中就好像直接從小學生成為大學生。」

製片費吉說：「漫威漫畫的電影中，女性角色總是幫助超級英雄了解他們的自我，而且她們和這些超級英雄平起平坐、旗鼓相當，就像佩姬卡特在《美國隊長》一片中教會史提芬羅傑斯如何接受他的使命，這絕對是一個很棒的女性角色。」

對史提芬羅傑斯來說，他的人生另一個重要的角色就是他從小到大的死黨巴奇巴恩斯，就很多方面來說，史提芬一直都想成為像他這種人。雖然史提芬和巴奇巴恩斯都一樣勇敢，但是巴奇的體格強壯，每次打架都會打贏，而且在女生面前很有自信。最重要的是，他有資格入伍，而史提芬卻因為體弱多病遭到軍方拒絕。巴奇巴恩斯這角色就和美國隊長一樣，出現在不同的漫威漫畫作品中，所以挑選適合的演員是個挑戰。

製片費吉說：「賽巴斯汀史丹自己錄了試鏡帶寄給我們，但是他想演的角色不是巴奇，而是史提芬羅傑斯。我們告訴他，我們會讓巴奇扮演更重要的角色，讓他是史提芬羅傑斯的好友，甚至像是史提芬從來沒有的大哥哥。」賽巴斯汀史丹則說：「我飾演詹姆斯巴恩斯，但是大家都叫他巴奇，他和史提芬其實很像，所以他們才會彼此認同，因為他們都是孤兒，從小就必須獨立自主。但是巴奇對瘦弱的史提芬有一種責任感，他為了保護他願意做任何事情。」

至於巴奇和成為美國隊長的史提芬的關係，賽巴斯汀史丹說：「當史提芬變成美國隊長，他就成為了一種象徵，而巴奇則被訓練要進行一些危險的任務，我很喜歡這一點，因為這讓我的角色有不同的一面。」

新生代演員多明尼克庫柏在片中飾演年輕的霍華史塔克，他就是鋼鐵人東尼史塔克的父親，他說：「我小時候並沒有看很多漫畫，不過當我接演這個角色，我就發現他其實是一個很精采的角色。他是個富可敵國的工業家，也是個花花公子和發明家，他擁有很多面向，所以扮演這角色很好玩。」

《美國隊長》一片最關鍵的角色，就是發明超級戰士血清的亞拉伯罕博士，這角色由資深演技派演員史丹利圖奇飾演。他說：「亞拉伯罕博士是一名德國科學家，納粹黨逼他交出他研發的血清，這種血清後來被稱為超級戰士血清，它能夠激發人類體能的潛能，並且強化普通人的力量，使他們擁有所謂的超人力量。納粹黨逼他打造出超級戰士軍團，但是他拒絕了。後來他來到美國，發現他可以利用他發明的血清對抗邪惡勢力，只可惜約翰施密特在德國先逼他在自己身上注射了這種血清，讓他成為邪惡的紅骷髏，最後成為美國隊長的死敵。」