《大汉天子3》的演员阵容豪华，塑造了众多生动的角色。主角刘彻由黄晓明饰演，他是一位充满智慧与勇气的汉武帝，由金锋配音。茹萍饰演卫子夫，她是汉武帝的皇后，李菲在剧中扮演秋婵，是霍去病之女及太子妃。赵熠洋饰演赵据，他是汉武帝的太子，沈磊为他配音。董勇与郭易峰分饰大司马卫青和大司马，他们家族关系错综复杂。安以轩饰演霍去病之女霍祁连，李晔为她配音，她与秋婵的女儿并成为太子妃。熊乃瑾饰演卫长公主，冯骏骅为其配音。
李汉高昊饰演李勇，他与胭脂公主之子季擒虎由刘冠麟饰演，季安世之子季安世则由杨平友饰演。紫薇公主由陈廷嘉扮演，夜郎公主刘细君由周颖饰演，江都郡主及乌孙王后由小雪莲饰演，都由范楚绒配音。大宛公主由江充孙海英饰演，而奸臣金童由何欣饰演，金锋为其配音。柏妍安饰演钩弋夫人，李晔则为王太后配音。金不换由付磊饰演，金俗由徐少强饰演，乌满都由付隽饰演，李长生由萧小华饰演，乌孙王由王玮饰演，蒯忠由谢添天饰演。
《大汉天子3》的幕后团队也同样出色。方文、张燕波与宋卫平共同担任监制，董力为导演。阿诺与姚洪伟担任副导演（助理）。杨晓雄作为编剧，甘运权负责摄影，王学飞进行剪辑，张学峰则负责道具。杨晓雄与周之光共同担任艺术指导，动作指导由曹华负责。何佳怡与陶晓红分别负责造型设计与服装设计，陆志豪与张昶负责灯光，胡娟与王雪华担任场记，陈家余则是布景师。
如此强大的演员与幕后团队，为《大汉天子3》的精彩呈现提供了坚实的基础，展现了一个宏大的历史画卷。
《大汉天子》系列作为极具收视效应的一个电视剧品牌，一直拥有极好的口碑，此次的《大汉天子3》更是挟着势不可挡的收视旋风席卷荧屏，集合了黄晓明领衔的前两部的人气阵容，配合更加精彩和跌宕起伏的故事情节，造就了《大汉天子3》不容错过的收视传奇。