电影《731》的主演阵容如下：

一、核心主演
姜武‌ 饰演 王永章（小贩，被强行抓入731部队的平民）
王志文‌ 饰演 杜存山（学者，揭露日军暴行的正义角色）
李乃文‌ 饰演 顾博轩（普通民众，从胆小到觉醒反抗）
二、重要配角
孙茜‌ 饰演 林素贤（女性受害者，母亲角色）
冯文娟‌ 饰演 今村佳代（日本女军官，复杂反派）
林子烨‌（14岁）饰演 孙明亮（天真孩童，实验受害者）
温碧霞‌ 饰演 新造（花魁，短暂但深刻的绝望形象）
李善玉‌ 饰演 梁艾英（女性幸存者）
三、其他演员
张琪‌ 饰演 梁兴国
平田康之‌（日本演员）饰演 石井四郎（731部队首脑）

导演赵林山通过11年筹备，集结了多位实力派与新生代演员，以多视角还原历史暴行。