《X女特工》主要演员表如下：
唐嫣饰演钟离
唐嫣（1983年12月6日生于上海，祖籍宁波）在剧中饰演核心角色钟离，定位为“最不像特工的特工”。她性格胆大率真，好打抱不平，保护弱小，纯真善良且心口如一，但行事冲动不羁、不服纪律。尽管常令上司头痛，却总能凭借特务天赋化险为夷，神奇般完成使命。唐嫣毕业于中央戏剧学院表演系本科班，曾被张艺谋选为奥运宝贝，代表作包括《仙剑奇侠传三》《夏家三千金》等，2012年成立“唐嫣工作室”并担任制作人。
罗晋饰演贺俊峰
罗晋（1981年11月30日生于江西宜春）饰演外冷内热的精英干将贺俊峰。他留苏多年精通先进谍报技术，是组织的冷峻教官，性格正直重情义，对已故未婚妻牵挂多年。尽管感情收放自如，却总忍不住关注钟离。罗晋毕业于北京电影学院表演系，代表作有《三国》《美人心计》《乱世佳人》等，2013年出演多部作品如《枪侠》《爱的相对论》。
吕一饰演谭睿玲
吕一（1984年1月8日生于重庆）饰演钟离的闺蜜谭睿玲，定位为“爱情至上的风尘交际花”。她外表温柔似水，性情温和，举手投足间散发女性柔情魅力，特工综合素质一般但求生意识强烈、耐心与心理素质极高。吕一毕业于北京舞蹈学院，代表作包括《天外飞仙》《雪在烧》《宫锁心玉》等，2013年出演《毕有财》《姥爷的抗战》等作品。
三位主演的互动构成剧情核心：钟离与贺俊峰从对立到默契，谭睿玲作为闺蜜为钟离提供情感支持，三人共同演绎特工训练与任务中的成长与情感纠葛。
