《海天之恋》主要演员表如下：
主演阵容
吴超（王强 饰）：101团飞行员，后晋升为飞行大队长、团长。他聪明好学，酷爱飞行，因与A国飞机较量受挫后刻苦钻研军事技术。饰演者王强为海政电视艺术中心演员，1963年生于黑龙江珍宝岛，毕业于上海戏剧学院。代表作包括《三国演义》《导弹旅长》《火蓝刀锋》等，曾获全军金星奖优秀演员奖。
向大洋（宋运城 饰）：原101团飞行员，性格耿直沉稳，放弃新机改装机会，转而学习舰长课程并任护卫舰舰长。饰演者宋运城为汉族男演员，代表作品包括《我的父亲母亲》《国宅》等。
朱柏桐（孙洪涛 饰）：101团飞行员，个性率真，因未当上大队长而装病停飞，后转业至民航。饰演者孙洪涛为国家一级演员，第二炮兵政治部电视艺术中心副主任，代表作有《战争目光》《陆军一号》等。
谢冰冰（何苗 饰）：101团航医，独立且工作认真负责，与吴超从争执到理解。饰演者何苗1982年生于四川达州，毕业于北京师范大学艺术系，曾凭《快乐老家》获华表奖最佳新人奖，代表作包括《中关村风云》《旗舰》等。
其他演员
沈丰收（刘之冰 饰）：潜艇副长。
王东满（吴军 饰）：海军航空兵101团机械师。
赵新竹（冯国庆 饰）：海军航空兵101团团长，后晋升师副师长。
何以年（金鑫 饰）：海军航空兵18师师长，后晋升舰航副司令员。
巴根（赵晓明 饰）：海军航空兵101团副团长，后任团长。
白云（宋笠娜 饰）：气象台工程师。
