黎明饰演刘邦，汉太祖，是中国历史上第一个由农民起义领袖成为皇帝的人，称“布衣皇帝”。刘邦为义军首领，圆滑奸诈，巧舌如簧，胆小如鼠，能屈能伸。

冯绍峰饰演项羽，  西楚霸王，是“力能扛鼎，气压万夫”的一代英雄豪杰。光明磊落，坦率粗豪，重情重义，优柔寡断，有勇少谋，妇人之仁。影片刻画项羽不可一世的霸王本色以及兵败后的悲情英雄形象。

刘亦菲饰演虞姬，人称“虞美人”，为西楚霸王项羽爱姬，在西面楚歌的困境下一直陪伴在项羽身边。虞姬能歌善舞，“霸王别姬”的段落是影片最后的高潮戏，同时，虞姬在片中与刘邦也产生了情感上的纠葛，颇为出人意料。