John Benjamin Hickey扮演主人公Frank Winter，一個才華橫溢但是有自毀傾向的物理教授，他奉命主導曼哈頓計劃的研發。這項絕密任務不僅將危及他的家庭，還將傷及他的心智。Ashley Zukerman扮演Charlie Abrams，一個聰明絕頂的年輕人，自認為是一個「整天和數字打交道的人」。他的智商高達180，而且很有幽默感。Daniel Stern扮演心理顧問Glen Babbit，負責為參與曼哈頓計劃的年輕物理學家們提供心理輔導。他利用自己的智慧和機智小心穿梭于洛斯阿拉莫斯的政治雷區。Rachel Brosnahan扮演來自波士頓的女孩Abby Abrams，她一時沖動同意和丈夫Charlie Abrams來到一個幾乎「前不著村后不著店」的地方，但很快意識到這里的生活非常艱難。Harry Lloyd扮演野心勃勃的牛津大學畢業生、物理學家Paul Crosley。當他意識到自己將建造世界上第一顆原子彈時，他對工作的忠誠開始動搖。Katja Herbers扮演Frank Winter教授實驗團隊的成員Helen Price，是極少數參與曼哈頓計劃的女性科學家之一。Christopher Denham扮演物理天才Jim Meeks，應邀加入研制原子彈的絕密項目，是Frank Winter教授實驗團隊的成員之一。Olivia Williams扮演天才植物學家Liza Winter，有一段非常復雜的歷史。她陪伴丈夫Frank Winter（John Benjamin Hickey）來到洛斯阿拉莫斯生活，但她很快發覺這座城市周圍的環境出現了異常變化。Alexia Fast扮演Frank和Liza的女兒Callie，雖然只有16歲但非常世故，說話尖酸刻薄。Frank因為工作的緣故三天兩頭不在家，而且每次都是「神秘消失」，Callie對此充滿抱怨。David Harbour扮演多集角色Reed Akley，是洛斯阿拉莫斯最有名的「金童」，領導著超過600名科學家組成的龐大團隊。Michael Chernus扮演Frank團隊中的科學家Louis “Fritz” Fedowitz。Carole Weyers扮演在洛斯阿拉莫斯工作的電話接線員Elodie，是個法國人。Daniel London扮演曼哈頓計劃的主導者、著名理論物理學家奧本海默（Oppenheimer），他當時是洛斯阿拉莫斯實驗室主任。