电影《记忆大师》中的演员有黄渤、徐静蕾、段奕宏、杨子姗、许玮甯和王真儿等等。
黄渤饰演男主角江丰，是一名怀才不遇的作家。因为和妻子张代晨感情不和，所以导致婚姻破裂。江丰一直深爱张代晨，为了重新生活，于是进如记忆大师医疗中心接受删除部分记忆的手术，记忆一旦被删除，超出一定的时间就永远不可能恢复。江丰在预定时间内回去恢复记忆，却因一场意外，将沈汉强的记忆装进了自己的脑子，也因此被牵连到李慧兰被杀案，江丰因为莫名其妙的记忆成为了疑凶。
徐静蕾饰演女主角张代晨，是江丰的妻子，两人从甜蜜恩爱的情侣到历经沧桑的夫妻，没有承受得住时间的考验，日积月累，夫妻渐渐出现矛盾，张代晨执意要离婚，江丰因此被卷入谋杀案，这反倒让二人的情感在面临严峻考验同时，反而升温，最终化解了所有的隔阂和误解。
段奕宏饰演终极大boss沈汉强，表面上是一个有着多年办案经验的老牌警官，正义凌然，深得所有人的信任和敬佩，然而沈汉强却有着一个不可告人的秘密。
杨子姗饰演炮灰背锅侠陈姗姗，一开始，观众和江丰都怀疑她就是幕后真凶，然而她只不过是沈汉强的一枚棋子而已。
许玮甯饰演的是一个出现在沈汉强记忆里的神秘女人，身份为他的亲生母亲，屡遭到其父家暴，性格懦弱，最后被沈汉强用安眠药骗杀，之后沈汉强便开始不断杀害被家暴却又懦弱的女人，目的是为了帮她们结束痛苦。
王真儿饰演的是案件中的被害人李慧兰。