* Hal Linden als kapitein Barney Miller: De vriendelijke maar vaak geïrriteerde kapitein van het 12e district.
* Maxwell Gail als Sergeant Stanley "Wojo" Wojciehowicz: De lieve, ietwat onhandige en altijd enthousiaste officier.
* Ron Glas als Sergeant Ron Harris: De stoïcijnse, intelligente en vaak sarcastische officier.
* Abe Vigoda als rechercheur Phil Fish: De cynische, knorrige en vaak onbetrouwbare detective.
* Jack Soo als rechercheur Nick Yemana: De opvliegende, maar inzichtelijke en goedbedoelende detective.
* James Gregory als luitenant Arthur Dietrich: De strenge en vaak rigide hogere officier van kapitein Miller.
* Barbara Barrie als Agent Elizabeth "Liz" Miller: De enige vrouwelijke agent en een capabele politieagente met een droog gevoel voor humor.
* Gregory Sierra als Agent Miguel "Chano" Amenguiano: De energieke, soms onhandige en vaak komische Spaanse officier.
De show bevatte ook een aantal terugkerende personages, waaronder:
* David Graf als Agent Michael "Sweety" Sweet: De stuntelige, gemakkelijk te intimideren officier die vaak in de problemen kwam.
* Janet DuBois als Agent Janet Harris: De vaak sarcastische en cynische officier die in het vierde seizoen werd geïntroduceerd.
* Stephen Collins als rechercheur Norman "Norm" Harris: De jongere broer en partner van Ron Harris, die in de latere seizoenen verscheen.
De ensemblecast van Barney Miller stond bekend om zijn chemie en de geestige, observerende humor van de show.