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《湄公河行動》是彭于晏與林超賢導演繼《激戰》《破風》後的第三次合作，林超賢對演員要求嚴格人盡皆知，每次跟林導合作，彭于晏都被迫接受不同程度的魔鬼訓練。
彭于晏 飾 百變臥底情報員 方新武
駐金三角的情報員，過去身份成謎，做事跳脫機智卻喜歡用自己一套去解決問題，擅長易容，曾經親身感受過毒品帶來的震撼，而自願留在金三角進行緝毒情報工作。
《湄公河行動》是彭于晏與林超賢導演繼《激戰》《破風》後的第三次合作，林超賢對演員要求嚴格人盡皆知，每次跟林導合作，彭于晏都被迫接受不同程度的魔鬼訓練，他笑稱自己在《湄》片開拍之前就提前做好了心理準備。彭于晏透露，金三角場景中會有多場突破性的重頭戲，高規格的動作場面會把異國的殘酷和暴力推向極點，對演員來說是前所未有的挑戰。
劇組特意請來泰王現役保鏢來負責演員們的動作訓練，包括射擊、近身格鬥等項目。之前從沒接受過專業射擊訓練的彭于晏，從怎麼拿槍到拿真槍逐步學習，不僅在技術上有所進步，也在訓練中對自己的角色有所感悟。在林超賢鏡頭下，一向以堅韌不拔的體育精神示人的彭于晏，此次挑戰緝毒題材影片可說由大男孩變成了真男人，高度轉變令人刮目相看。
張涵予 飾 冷面緝毒行動隊長 高剛
張涵予在《湄公河行動》中飾演緝毒總隊長高剛，有多年與毒販打交道的經驗，為了還13位船員一個清白，誓要完成一個不可能的任務：活捉糯卡。
與以往硬漢形象大不同，張涵予此次在《湄公河行動》多了一份儒雅睿智的形象，他為了這個角色，閱讀了大量關於金三角地區販毒案件的資料，經常與導演交流自己對角色的理解，希望能以自己的角色為切入點，讓觀眾對金三角地區的販毒案件有深刻全面的瞭解。
張涵予表示自己不是一個擅長動作戲的演員，在接拍之前一直以為這部戲會有大量特技，「結果我沒想到導演竟然要我穿著厚重的避彈衣，背上手榴彈和上膛了真子彈的真槍，然後讓我跟狗鬥快跑！還讓我背著這套將近20公斤的裝備去跟人家打架，還得拳拳到肉，我覺得我這輩子的汗都流在湄公河了！」
談及與彭于晏的首次合作，張涵予表示出很多期待與想法，「彭于晏和我在影片中飾演的角色分別來自南方和北方，現實生活中我們也是成長在一南一北。不同的文化背景，無論是在影片中還是現實生活中，都擦出許多有意思的火花！」
吳嘉龍 飾 皮爾
大毒梟糯卡手下沙先生的頭號大將，深得集團信任，計劃將泰國毒品大批出口到中國地下市場。
吳嘉龍，香港演員及模特兒，曾參演作品包括《破風》及 《逆戰》等。
盧惠光 飾 占蓬先生
因販毒被通緝而逃亡到美國，再輾轉來到泰國，與方新武不為人知的過去有莫大關連！
盧惠光，人稱光叔，香港知名武打演員，曾參演作品包括《殺破狼II》、《掃毒》、《葉問：終極一戰》等。
Pawarith Monkolpisit 飾 糯卡
湄公河行動的終極目標，跨國犯罪集團首領，?眼遍佈金三角，行蹤隱密，只有少數手下能與糯卡近距離接觸！
泰國演員Pawarith Monkolpisit演出經驗豐富，2000年更憑彭氏兄弟執導電影《無聲火》羸得泰國影帝寶座 (Thailand National Film Association Awards-Best Actor)。
緝毒犬 哮天
《湄公河行動》最突出的猛將當屬緝毒犬「哮天」，緝毒犬可算是緝毒組中最必須的成員，身兼潛伏、攻擊、搜索等多職，尤其與張涵予飾演的高剛合拍，一同出生入死征戰沙場！哮天現年３歲，屬比利時瑪連萊犬，由於天性靈活，警覺、服從性高，極之適合?當日常巡邏及緝毒工作，亦是常現警犬品種之一。
《湄公河行動》是哮天的處男作，高難度動作鏡頭背後當然需要名師指點，哮天的訓練員乃是世界知名馴狼師安德魯森遜（Andrew Simpson），有超過20年馴養經驗，包括《權力遊戲》、《復仇勇者》、《狼圖騰》等，幾乎所有狼出現的知名電影、電視劇背後，都離不開他的功勞！
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