Мосгаз

Андрей Смоляков — Иван Петрович Черкасов, майор милиции (серии 1-5 и 8), капитан милиции (серии 5-8), начальник уголовного розыска районного отделения милиции

Марина Александрова — Софья (Соня) Борисовна Тимофеева, младший лейтенант милиции, эксперт-криминалист (прототип — Софья Файнштейн)

Максим Матвеев — Владислав (Влад) Георгиевич Вихров, певец, артист Московского государственного театра музыкальной комедии (прототип — Владимир Ионесян)

Юрий Чурсин — Станислав (Стас) Петрович Шелест (Нилин), художник-декоратор в Московском государственном театре музыкальной комедии

Агния Кузнецова — Наталья Васильевна Строева, художник, подруга Сони Тимофеевой и девушка Стаса Шелеста

Светлана Ходченкова — Ирина Викторовна Лаврова, артистка кордебалета в Московском государственном театре музыкальной комедии, подруга Влада Вихрова (прототип — Алевтина Дмитриева)

Екатерина Климова — Вера Ильинична Томилина, жена (затем — бывшая жена) Ивана Черкасова, официантка.

Даниэла Стоянович — Маргарита Семёновна Карпухина, врач-педиатр, мать Славика

Анатолий Кузнецов — Анатолий Тимофеев, генерал, дед Сони, фронтовой друг Ивана Черкасова

Александр Дробитько — Славик Карпухин, сын Маргариты Семёновны (прототип — Артём Фролов)

Роман Мадянов — Эдуард Максимович Самойленко, директор Московского государственного театра музыкальной комедии

Алексей Бардуков — Алексей Гаркуша, старший лейтенант милиции, оперативник

Юрий Тарасов — Никита Васильевич Пожидаев, майор милиции, сотрудник МУРа

Анатолий Гущин — Василий Пермяк, оперативник

Владимир Юматов — Григорий Михайлович Чудовский, журналист, фронтовой друг Ивана Черкасова

Евгения Дмитриева — Алевтина Матвеевна Чеботарь, библиотекарь, жена Игоря Васильевича, мать Серёжи

Владислав Ветров — Игорь Васильевич Чеботарь, технолог ткацкой фабрики, муж Алевтины Матвеевны, отец Серёжи

Игорь Савочкин — Николай Арсеньевич Агеев, подозреваемый в серии жестоких убийств

Луиза Мосендз — Зинаида Васильевна Кац, эксперт

Вадим Андреев — Фёдор Григорьевич Саблин, полковник милиции, начальник МУРа, бывший фронтовик

Борис Каморзин — Дмитрий Романович Перетягин

Алефтина Евдокимова — Кира Ильинична, мать первой жены Черкасова

Раиса Рязанова — тётя Даша, помощница в доме генерала Тимофеева

Алина Ольшанская — Потапова

Даниил Кокин — Цепляев («Костыль»)

Анастасия Шалонько — Валя, соседка и подруга Славика Карпухина

Сергей Лосев — Никита Сергеевич Хрущёв, Первый секретарь ЦК КПСС (озвучил Сергей Безруков)

Вячеслав Чепурченко — Юрков, сержант, участковый инспектор милиции

Денис Курочка — Алик Фатьянов, фотограф-криминалист

Олег Васильков — «Тугрик», бывший зек, тайный осведомитель Ивана Черкасова

Семён Трескунов — Серёжа Чеботарь («Чёбот»), сын Игоря Васильевича и Алевтины Матвеевны (прототип — Константин Соболев)

Хотя промореклама сериала в первую очередь ссылалась на Ионесяна, сам сериал является очень вольным изложением реальных событий и заимствует крайне мало реальных деталей из дела Ионесяна. Сценаристка Зоя Кудря объяснила расхождения так:

Согласно газете «Собеседник», авторы сериала решили показать историю не об Ионесяне и его преступлениях, а о времени, когда это происходило, и поэтому образ «МосГаза» в сериале во многом романтизирован, а само сочетание «МосГаз-Ионесян» было использовано для пиара.

Предположительно, всех сотрудников МУРа, которые занимались делом Ионесяна, на момент премьеры сериала уже не было в живых (криминалист Софья Файнштейн, которая создавала фоторобот Ионесяна, умерла за полгода до премьеры 25 мая 2012 года).

Руководитель пресс-группы МУРа Алексей Бахромеев заявил, что сюжет полностью «высосан из пальца», отметив, что сумел посмотреть только полторы серии, и что авторы сериала официально за консультацией в МУР не обращались.