A força de "O agente secreto" está no elenco numeroso. Não por acaso, o filme concorre ao Oscar em quatro categorias, incluindo melhor direção de elenco pelo trabalho de Gabriel Domingues.

Liderado por Wagner Moura, o elenco reúne nomes como Maria Fernanda Cândido, Alice Carvalho, Gabriel Leone, Tânia Maria e muitos outros.

Especializado em temporadas de premiações, o perfil Glassy Cottons compartilhou no X os tempos de tela do elenco principal do longa de Kleber Mendonça Filho, incluindo a gata Carminha, que rouba a cena no papel duplo de Liza e Elis.

Wagner Moura - 1:08:45 (42.68% das cenas); Gabriel Leone - 14:54 (9.25%); Robério Diógenes - 12:06 (7.51%); Roney Villela - 11:40 (7.24%); Laura Lufési - 11:02 (6.85%); Igor de Araújo - 10:44 (6.66%); Ítalo Martins - 10:18 (6.39%); Carlos Francisco - 8:10 (5.07%); Tânia Maria - 7:41 (4.77%); Luciano Chirolli - 7:26 (4.61%); Hermila Guedes - 7:11 (4.46%); Kaiony Venâncio - 5:40 (3.52%); Enzo Nunes - 4:50 (3.00%); Maria Fernanda Cândido - 4:47 (2.97%); Isabél Zuaa - 4:45 (2.95%); Licínio Januário - 4:29 (2.78%); Geane Albuquerque - 4:28 (2.77%); Alice Carvalho - 4:02 (2.50%); Thomás Aquino - 3:07 (1.93%); João Vitor Silva - 2:44 (1.70%); Udo Kier - 2:33 (1.58%); Isadora Ruppert - 1:37 (1.00%).