电影《天河》中的一些主要演员包括：
李幼斌，饰演南水北调总工程师董望川；
俞飞鸿，饰演治污专家周晓丹，后挂职丹江市副市长；
段奕宏，饰演原为董望川手下，后为河海工程公司负责人江浩；
王若心，饰演水利工程师林子彤；
高明，饰演董望川的父亲；
赵有亮，饰演周晓丹的父亲；
林妙可，饰演董望川和周晓丹的女儿董若水；
吴甜甜，饰演江浩的女儿江思思；
宋春丽，饰演董望川的母亲；
赵守凯、巫刚、马晓伟、荆明华、赵晓明、祝新运、刘继忠、苏丽、侯天来、金鑫、卢奇、岳红、田华、张勇手、翟俊杰、冯恩鹤、韩月乔、张曦文、郭雪、徐箭、吴其江、宋嵩、王国栋、康馥麟等，也参与了演出。
此外，还有其他许多知名艺术家和明星加盟，形成了一个全明星阵容。