北京愛情故事的主要角色包括：
* 陳思成 飾演 林夏。她是一個非常真實、非常真性情、非常有才華、非常執著於自己感受的人。
* 李晨 飾演 石小猛。他是一個善良、真實、內心矛盾的人，因為家庭條件不好，急於想要融入北京，但卻走上了悲劇之路。
* 張譯 飾演 伍媚。他是一個有點痞氣、有點幽默、喜歡照顧別人，甚至有點花心的男人。
* 楊冪 飾演 沈冰。她有著小城鎮的女孩子氣質，儘管來自小城鎮，但她的人生觀、價值觀都是國際級的。
* 余男 飾演 瘋子。她以45度角瘋狂愛上的這個男人是是陳鋒。
* 陳峰（王學兵飾） 林夏喜歡的人，但他對陳峰對沈冰和楊紫彤之間的愛太容忍和不在乎的態度感到了反感。
此外，該劇中還出現了許多其他角色，包括林夏的父母、石小猛的朋友、伍媚的同事等等。這些角色在劇中扮演了重要的配角，為故事增色不少。