片中饰演五位少年班学员的分别是周冬雨、董子健、王栎鑫、柳希龙、李佳奇，这五个“少年”的诞生过程可谓万里挑一，尤其是“小鲜肉”和“小神仙”这两位奇葩天才的选角，更是经历了长时间高标准的残酷选拔。虽然“小鲜肉”和“小神仙”在预告片里非常奇葩，但肖洋透露其实都来源于自己真实的少年班同学。
周冬雨饰演的周兰是一位孤僻但极端聪明的少女，高智商碾压一众男同学，成为少年班解题小组中唯一入选的女生。目前是北京电影学院大四学生的她，将《少年班》看作自己的“毕业大戏”。 饰演吴未的董子健表示他扮演的角色其实就是导演肖洋，原来当年导演也曾误打误撞在少年班就读，只可惜是班上倒数第二名，感觉是落入天才圈的普通人。而王栎鑫从“快男”选手歌手身份出道，如今在电影中扮演爱打架的天才少年，导演肖洋表示很多角色都能找到原型。
在发布会现场，主办方借着预告片中最后的一幕——周冬雨对着董子健表示“你能不能亲我一下?”让周冬雨现场在董子健和王栎鑫中间选择一个人进行“安全之吻”，犹豫之后，周冬雨选了董子健，理由是“王栎鑫结婚了”。
孙红雷自曝学生时期的暗恋故事
孙红雷此次在《少年班》饰演一位外表儒雅、城府颇深的少年班导师，导演肖洋透露，一向秉承“方法派表演”的 孙红雷在开拍前特意深入北大、清华等高校采访和体验生活，去访问真正的大学教授和少年班老师，只为演好“周知庸”。
