《超限斗神》的主要角色涵盖肩负救世使命的核心团队成员，以及推动剧情发展的关键正反两派角色。
1.孙晚宁（金明哲饰）
该剧核心主角。原本是个看似普通的年轻人，机缘巧合下从穿越而来的小海娜手中获得幻神连接器。他本性善良且富有正义感，在保护他人时觉醒幻神核心，变身成超限斗神巴特迩。之后肩负起逆转未来、对抗幻恶的重任，在战斗中不断成长，同时还在寻找失踪父亲孙明武的线索。
2.小海娜（夏楠饰）
来自未来的少女，孙明武的助手。她带着对抗幻恶的关键武器幻神连接器穿越回过去，核心任务是将武器交给孙晚宁并协助他完成救世使命。她古灵精怪，不仅懂幻神连接器的使用方法，还多次在战斗中调解团队矛盾、给孙晚宁提供关键帮助，身边还有一个名为羊羊羊的悬浮小机器人辅助行动。
3.江陵川（甄子琦饰）
陵天集团的董事长，性格沉稳睿智且行事果断，妥妥的“霸道总裁”形象。他起初对孙晚宁的战斗能力颇为挑剔，还曾想高价买下幻神连接器，后续却成为孙晚宁的重要战友，组成救世核心团队。他多次在孙晚宁陷入战斗危机时出手支援，凭借自身资源和能力为对抗幻恶提供了诸多助力。
4.孙明武（梁天成饰）
孙晚宁的父亲，一位古文化专家。他被召唤至未来后，成功研制出对抗幻恶的幻神连接器。在未来战局无法扭转的绝境下，他安排小海娜穿越回过去传递武器、托付使命，是推动整个救世剧情展开的关键人物，其失踪的线索也贯穿剧情始终。
5.楚歌（安安饰）
核心反派角色，是被幻恶势力派到过去的怪人高手。她擅长捕捉人类的负能量，通过投掷特殊道具将负能量爆棚的人类转化为幻恶怪人。她曾暗中观察孙晚宁和江陵川等人，还试图用幻神核心拉拢江陵川，其行动多次给主角团队的战斗制造麻烦，是前期推动冲突的主要反派。