堀越加代は、主人公である堀越二郎の妹です。幼い頃から堀越を「二兄(にいにい)」と呼んで慕っていて、医学の道を志しますが父に反対され、堀越の口添えのおかげで医学生となります。ヒロインである菜穂子とも仲が良く、気が利かない二郎を叱責するなど両者の関係を良好に保つキーパーソンになっています。声は若手注目株の女優、志田未来が担当しています。

カストルプは堀越と菜穂子と同時期に軽井沢に滞在していたドイツ人で、ナチス・ドイツの台頭に愚痴をこぼし、世界で孤立した日本の将来を憂いていた謎の人物です。

声を担当したのはスタジオジブリ海外事業部取締役部長を務めていたこともあるスティーブン・アルバートで、宮崎監督は仕事を超えた友人のようです。

里美は、ヒロインである里見菜穂子の父親で、菜穂子との交際を申し入れる主人公の堀越に対し、当初は菜穂子の病気のために考え直すように諭していましたが、2人の想いの深さを知り、次第に心を動かされます。

声を担当するのは俳優の風間杜夫で、やがて遠方から菜穂子のお見舞いに来る堀越を心配するなど、思慮深く思いやりのある父親を見事に演じています。

黒川は、主人公・堀越の上司です。気難しい性格で、入社したばかりの堀越にいきなり難度の高い設計を任せるなど、仕事に対して厳しい人物です。その一方で、菜穂子の病のことを知りつつも、彼女と堀越の気持ちを汲んで仲人を務め、特別高等警察に目をつけられた堀越を匿うなど、心優しい一面が人気の理由になっています。

映画の中では、西村まさ彦が声を担当し、見事な演技力で黒川を演じています。

本庄季郎は、主人公である堀越の大学時代からの親友で、日本の技術力の低さを憂う、向上心の強い人物である一方で、素直な堀越とは反対にややひねくれた一面も持っています。堀越と共に社会人となったのち、設計者として頭角を現し堀越とはライバル同士となりましたが、その後も堀越を支え続ける重要な存在として人気を集めています。

本庄を演じたのは人気俳優の西島秀俊で、落ち着きのある穏やかな声が、キャラクターの魅力を存分に引き出しています。

里見菜穂子は、主人公の堀越の恋人であり、のちに妻となるヒロイン的な存在です。関東大震災の際に、たまたま同じ電車に乗り合わせた堀越に助けられたことから、彼に想いを寄せるようになります。結核を患っており、作品終盤では病状が悪化しているような描写もありますが、仕事に熱中する堀越を気丈に支える姿が人気を博しました。

映画では女優の瀧本美織が声を担当、透明感のある声がキャラクターの人気を後押ししました。

堀越二郎は本作の主人公で、幼い頃から飛行機づくりに憧れ続けた人物です。子どもの頃、夢の中でイタリアの高名な航空技術者、カプローニに出会ったのがきっかけで飛行機の設計者を志すようになり、のちにその夢を叶えた堀越は非凡な才能を開花させ、ゼロ戦などの飛行機を生み出すことになります。

声優にはプロの声優ではなく、『新世紀エヴァンゲリオン』の監督として知られている庵野氏を起用したことで、堀越二郎の素朴さや不器用さがリアルに表現されています。