Michael Burnham é uma Especialista Científica a bordo da USS Discovery. Burnham foi primeira-oficial na USS Shenzhou, onde era denominada "Número Um", até ser condenada por motim e sentenciada a prisão perpétua.[5][6] O Capitão Gabriel Lorca foi responsável por trazer Burnham de volta ao serviço com uma licença temporária como cientista a bordo de sua nave. Burnham foi educada na cultura vulcana por Sarek, sendo a primeira humana a frequentar o Centro de Aprendizagem e a Academia de Ciências de Vulcano.[7][8]
Bryan Fuller, o co-criador da série havia previsto o anúncio do elenco para outubro de 2016,[6] porém nenhum anúncio foi realizado até o encerramento daquele mês. Fuller escalou a maioria dos personagens principais da série, mas não havia selecionado nenhuma atriz entre os protagonistas. Este fato gerou alguns debates internos na CBS, já que elencar o personagem foi "mais difícil do que o esperado".[9] A emissora buscou uma atriz afro-americana ou de ascendência latina desde que não fosse "uma grande estrela" e "dando preferência rostos novos para o papel".[10] Martin-Green foi confirmada para o papel em abril de 2017, após o encerramento de sua participação em The Walking Dead.[11] No mesmo dia foi anunciado que a personagem traria consigo um conflito interno muito grande por conta de sua educação por Sarek. O produtor Aaron Harberts explicou que as atrizes testadas para o papel "foram muito robóticas e frias ou muito emocionais", mas Martin-Green foi "capaz de estar distante, mas quente; lógica, mas capaz de trazer seu lado emotivo ao público".[12]
Como Spock nunca havia mencionado a existência de uma irmã na série original, o produtor Alex Kurtzman afirmou que pontos específicos do passado de Burnham seriam revelados de uma forma que não quebrasse a continuidade da franquia. Protagonista da série, Burnham não é uma capitã da Frota Estelar, como os protagonistas das séries televisivas anteriores, "para que vissem a personagem de uma perspectiva diferente; alguém que possui relações diferentes com o capitão, com subordinados, isso nos deu um contexto mais rico".[13] Ao longo da série, a personagem é referida como "Número Um" em homenagem ao personagem homônimo interpretado por Majel Barrett na série original.[14]
Saru é o tenente-comandante servindo como Primeiro Oficial da USS Discovery,[15] sendo também o primeiro Kelpien a ingressar na Frota Estelar.[16][17][18]
Jones foi anunciado para o personagem em novembro de 2016. Os Kelpiens, uma espécie criada especialmente para a série, foram caçados como presas em seu próprio planeta e, desde então, desenvolveram a habilidade de pressentir a morte.[16] Possuem uma reputação de covardes perante as demais raças da Federação.[16] Jones abraçou a ideia de "desenvolver este personagem desde o começo e descobrir sua espécie", além de não precisar referenciar um personagem anterior.[19] No entanto, o andar de Saru foi inspirado nas supermodelos por necessidade devido às botas que o ator utilizou para simular os pés amputados do personagem.[20][21] Apesar de não ser baseado em nenhum personagem da série original, os produtores de Discovery compararam Saru a Spock e Data.
Saru foi introduzido na estreia da série como um oficial de ponte da USS Shenzhou, altamente danificada já no segundo episódio da série.[22] Antes dos eventos de "Context is for Kings", Saru ingressa na USS Discovery.[23]
Voq é um Klingonalbino descrito como "tocado pelo destino e pelo fogo"[24][25] que passa por uma cirurgia, assumindo a identidade de Ash Tyler, um tenente da Frota Estelar e antigo prisioneiro de guerra.[25][26]
Em dezembro de 2016, Latif havia sido confirmado para o papel de Kol, antes de ser reafirmado como Tyler no final de abril de 2017.[27][28] Voq seria interpretado por Javid Iqbal, um nome artístico inventado para o pai de Latif na tentativa de ocultar a conexão entre os dois personagens.[25] Latif descreveu seu personagem como "profundo, complexado e ferido" e observou que "há uma química, uma relação com Burnham".[25][29] O sotaque do personagem possui traços de árabe, enquanto o ator tentou evitar uma voz nasalada para o personagem Tyler.[25]
Paul Stamets é o Oficial de Ciência especializado em astromicologia, o estudo de fungos no cosmo.[15][30]
Rapp foi anunciado como Stamets em novembro de 2016.[15] O ator havia sido escalado para um papel menor, mas foi selecionado como Stamets após a produção considerá-lo o melhor ator para o personagem homossexual. Stamets é o primeiro personagem abertamente homossexual da franquia Star Trek e os produtores "queriam explorar a sexualidade do personagem de maneira que o público explorasse sua sexualidade cotidiana".[31] Rapp acrescentou que Hikaru Sulu foi desenvolvido como um personagem homossexual em Star Trek Beyond,[32][33] chamando o fato de "um gesto agradável. Mas, neste caso, nós realmente vamos vê-lo com meu parceiro em conversas, em nossos dormitórios, vocês verão nosso relacionamento o tempo inteiro, tratado como uma relação qualquer deveria ser".[34]
Stamets foi inspirado no micologista real homônimo, a quem Fuller foi apresentado pelos roteiristas da série após declarar seu interesse no estudo de esporos.[35] A visão do personagem de que a física e a biologia são quantificamente o mesmo também vem da pesquisa e das teorias reais de Stamets.
Sylvia Tilly é uma cadete em ano de graduação na Academia da Frota Estelar, servindo a bordo da Discovery.[36] É subordinada de Stamets na Discovery e torna-se colega de quarto de Burnham.[37]
Wiseman foi anunciada em março de 2017 para o papel,[36] que foi incluído na série para pessoas "no nível mais básico" da hierarquia da Frota Estelar. Ela é a "mais otimista... possui o maior coração" e Harberts a descreve como "um pouco de alma na nossa série".[38][31] A personagem recebeu este nome em homenagem à sobrinha da produtora Gretchen J. Berg.[39]
Gabriel Lorca é o Capitão da Discovery, um "brilhante estrategista militar".[40][41]
Isaacs juntou-se ao elenco em março de 2017, descrevendo seu personagem como "provavelmente mais bêbado do que qualquer outro" capitão já visto em Star Trek, e comparou seu personagem à sua atuação como Mike Steele em Black Hawk Down. Isaacs recebeu primeiramente os dois roteiros da série, no quais Lorca não aparece e um tratamento inicial de sua introdução no terceiro, mas concordou em participar da série após discutir os rumos do personagem com a produção.[42] O ator concedeu ao personagem o marcante sotaque sulista americano,[43] evitando empregar seu sotaque inglês nativo e sendo "uma humilde sombra do brilhante Patrick Stewart como Jean-Luc Picard em The Next Generation". "Ele é um militar, mas pode ser muito charmoso. Tive o privilégio de trabalhar com os Rangers em Fort Benning e não importa de onde você seja na América, se você treinar em alguma dessas bases no Sul, você fica com o sotaque sulista. E eu queria algo que tivesse subliminares no militarismo."[44]
Philippa Georgiou é a Capitã da USS Shenzhou.[45][46] Georgiou possui uma relação de "mãe e filha" com Burnham após seu ingresso na Shenzhou.[6] Yeoh decidiu manter seu sotaque chino-malásio para a personagem, sendo esta mais uma maneira em que a série diverge seu elenco.[47]
L'Rell é a Comandante do Deque de Batalha na nave Klingon.[48] L'Rell é membro de ambas as casas de T'Kuvma e Mo'Kai, esta última sendo mencionada primeiramente em Star Trek: Voyager. Chieffo afirmou que por conta disto haveria uma "interessante exploração no que significa pertencer a duas ideologias diferentes".[49] A atriz buscou inspiração nas personagens femininas da raça Klingon já exploradas na franquia, e declarou ter gostado do perfil de Grilka de Star Trek: Deep Space Nine.
Sarek é um astrofísico vulcano, pai de Spock, e pai desconhecido de Michael Burnham.[50] Frain aparece como uma versão mais jovem do personagem interpretado por Mark Lenard na série original.[50]