光子力研究所
兜甲儿（兜甲児）：石丸博也
兜十藏博士的长孙，正处热衷于骑乘机车之年的高中生；因双亲早年于实验事故中身亡，自幼与弟弟由祖父一手带大。在兜十藏博士惨遭阿修罗男爵的密谋杀害后，奉遵其遗愿而驾上了‘魔神Z’，立誓竭尽全力来阻止地狱博士的妄行。起初由于不谙操纵而曾经吃下了不少的苦头，然则在经历数度的生死瞬间渐渐掌握住要领，将自身超群的运动神经与骑车技术投射其中，结合其生与俱来的果决精准判断力，每战皆能屡挫强敌越战越勇获得胜利。然而在他不改男性本“色”轻浮态度背后，却存有对于女性十分狭隘的传统偏见，因而与沙也加在观念上擦出激烈的火花，两人时常为此打得天翻地覆不可收拾。最后在剧末费尽千辛万苦打倒不***戴天的仇敌，却遭受迈锡尼（ミケーネ）帝国突如奇来的强大武力奇袭惨败，便将对抗强敌的重责大任交由大魔神接棒，依弓教授安排前往美国的‘吴德森（ワトソン）研究所’深造。并于《大魔神》剧里第53集开始的四部曲返回，搭乘上性能更为提升的魔神Z，却再度与生父遭逢残酷的生离死别，在盛怒之下大显神威一报血海怨仇。战后成为飞碟研究者，继续为保卫世界和平而奉献。（续见《UFO机器人 古连泰沙》）
兜志郎（シロー）：泽田和子
兜十藏博士的幼孙、柯甲儿的弟弟。平时与兄长无计长幼彼此直言不讳，兄弟俩人有着十分要好的手足之情，犹如是甲儿在身后最为重要的支柱。不过对这正于渴望关怀的年龄来说，却仍带着憧憬于家庭的任性孩子气，在未与过世双亲谋面的环境下成长，言行举止极受哥哥的不良习染甚深。但是活泼精力旺盛的他却相异于漫画原作的活跃，只曾在第70集和谷音***乘重战车Z参与作战。于本作结尾，自甲儿旅美后则被弓教授留于身边学习。然而不久后在《大魔神》剧中，即因遭敌袭击而被转至“科学要塞研究所”就近照料，但直至故事中期本人才得知生父未死的事实与其相认，得以一尝长年以来所向往许久的天伦之乐……。并驾驶有父亲为他设计的专属机器人‘ロボットジュニア（ロボットジュニア）’。
弓沙也加：松岛奉子（第1～13集）→松岛みのり（第14～39集）→江川菜子（第40～92集，但至第67集为止的字幕中均作“江川のり子”）
弓弦之助的独生女，与甲儿年龄相仿却未升学高中而留在所内协助父亲作研究，成为爱神A（アフロダイA）的专任驾驶。不过随着地狱博士接踵不断地侵略，沙也加与爱神A（アフロダイA）更被赋予了支援魔神Z的新使命，和甲儿搭档并肩作战对抗蜂拥而至机械兽大军。但是她的个性自幼就十分倔强好胜，在剧中与甲儿的争执斗嘴也是曾出不穷，一吵起架来双方总是互不相让；而实际上对他怀着口是心非地极深好感，两人是一对欢喜冤家。另外沙也加也有相当地会吃醋；在第74集曾为此拒绝前往支援甲儿，导致爱神A在情急之下为庇护魔神Z而壮烈成仁；失去爱机的沙也加也因而消沉一阵子。之后便于第76集换乘更为强力的后继机“戴安娜A（ダイアナンA）”继续扮演支援魔神Z的角色。于剧末，在从魔神Z手中交棒的大魔神接下重任后，与甲儿携手***勉并肩前往出国进修。在《大魔神》剧中，第48集遭迈锡尼（ミケーネ）帝国冒充其貌乘机潜入‘科学要塞研究所’。最终决战，晚甲儿一步回国再赴战场，参与围攻“无敌要塞（デモニカ）”的作战。
波士（ボス）：大竹宏
甲儿的同班同学。由于对沙也加十分的爱慕的关系，起初为此而将甲儿视为眼中钉，但在历经数次的患难与***后，彼此逐渐建立起深厚地友情；事实上是个非常讲义气的男子汉，也因为如此，在战况愈来愈吃紧之下，于第48集绑架了三博士胁迫为其打造专用的机器人－波士机器人（ボスボロット）开始加入战局；并对自己的爱机不断地自行尝试改良。在续作《大魔神》中自甲儿与沙也加出国进修后，便带着跟班来到科学要塞研究所附近废弃的造船厂继续扛起保卫世界的重担。在迈锡尼（ミケーネ）帝国一战结束后，更是以成为机器人博士为目标迈进著。
阿呆（ヌケ）：富田耕生波士的跟班；同样也是甲儿的同班同学。与波士（ボス）、阿傻（ムチャ）三人自幼稚园就已结识，于续作《大魔神》内固定负责留守在造船厂旁的看台上，监视科学要塞研究所的情况得以让波士机器人能够配合出击。性格和阿呆（ムチャ）相较起来属于消极。对于滑雪很在行。
阿傻（ムチャ）：田野中勇
波士的跟班；同样也是甲儿的同班同学。与波士（ボス）、阿呆（ヌケ）三人自幼稚园就已结识，无论在何时何处都是三人一起同甘***苦。时常一起搭乘波士机器人（ボスボロット），更会在必要时刻顶替波士驾驶。积极的特征和努科（ヌケ）形成了对照，不过有时也会出些害己利人的歪主意。
弓弦之助：八奈见乘儿
光子力研究所的第二任所长；弓沙也加的父亲。个性敦厚稳重，对于恶势力更有着不轻易低头的坚强意志，唯独就是对于自己的千金沙也加没辄。为兜十藏博士的得意门生，继承了恩师的理念将光子力能源份奉献于和平之上而开发出爱神A（アフロダイA），而随后战情日渐紧绷又相继开发有戴安娜A（ダイアナンA）及诸多魔神Z的强化装备及武装。
兜十藏博士：岛宇志夫（第91集：加藤修）
光子力研究所的首任所长；兜氏兄弟的祖父。自巴多斯（バードス）岛死里逃生之后，便致力于光子力能源的研究，并在发表完成各项相关的科技成果后，便卸下所长的职位隐居于别墅之中，终日埋首于魔神Z的开发，欲与地狱博士的野心对抗。于第1集被铁假面军团袭击而被压在爆炸后的别墅瓦砾堆下，在将魔神Z交由爱孙甲儿与志郎后而终，享年69岁。
三博士
光子力研究所内协助各项专门技术的幕后功臣们；同样也是兜十藏博士的学生。制作有结合三人技术而成的波士机器人（ボスボロット）。
塞瓦西（せわし）博士：大竹宏机械工学专家与机器人权威，主要担任魔神Z的维修及新武装开发。因其急躁的性格而在三人之中最为显眼。
诺索利（のっそり）博士：北川国彦/绪方贤一（第9集）、田野中勇（第79集）
系统工学博士，担任强化魔神Z的诸多工作。行事慢条丝理讲精确优先。
莫里莫利（もりもり）博士：矢田耕司
能源工学博士。对于魔神Z的改造有着绝大的贡献，其中以‘アイアンカッター（アイアンカッター）’的开发最为著名。工作干劲十足，于第79集为了找回外出忘了携带通讯器的甲儿，而被铁十字军团所埋设的地雷炸死，享年52岁。
みさと（みさと）：山口奈奈
波士的远房亲戚。在经其介绍后来到光子力研究所帮佣，照顾兜氏兄弟两人的生活起居；拥有佼健的身手，对于科学相关的技术也有丰富的知识。自第64集开始登场，就有从3位死刑犯手中解除了研究所危机的优异表现，而在第65集中便被正式聘为研究所所员。第70集Pilder遭毁魔神Z面临无法出动的情况下，曾自告奋勇驾驶‘重战车Z’埋设地雷迎战来犯的妖机械兽。
※以下为只出场于漫画原作中的角色。
暗黒寺闇太郎：漫画初期登场的人物。祖宗十八代都是流氓世家，唯独出他这个不肖子孙竟然成了警察。据本人所言是个拳击和空手道高手。
ローリィ&ロール：ミリオンα的双胞胎驾驶者，原为赛车手。与甲儿首次见面时，差点被误认为是阿修罗男爵派出来的机器美女杀手。在‘地狱城总攻击作战’之中被机械兽握住驾驶舱捏碎惨死。
东しゅん：バイオンβ的驾驶者。其外表遭甲儿比喻为机械兽。在‘地狱城总攻击作战’之中被机械兽从后面偷袭而亡。
小出政雄：ダイオンγ的驾驶者，原为驾驶战车的陆上自卫队军人。被甲儿形容为很有沙也加的“感觉”，一眼见到就知是自己人。在‘地狱城总攻击作战’之中遭机械兽围剿丧命。
科学要塞研究所
兜剑造（兜剣造）：柴田秀胜（第91集：大竹宏）第91、92集登场。
剑铁也（剣鉄也）：野田圭一第92集登场。
地下帝国
地狱博士（Dr.ヘル）：富田耕生
邪恶天才科学家。率领着利用地中海的古代迈锡尼所遗留在巴多斯岛上的机器人科技，所制造出的机器兽军团觊觎征服世界。于第91集中与伯罗肯伯爵弃守地狱城一并搭乘的被魔神Z击破而亡。而后在续作《大魔神》中被迈锡尼帝国复活。
阿修罗男爵（あしゅら男爵）：柴田秀胜、北浜晴子
地狱博士将两具古代迈锡尼夫妇的木乃伊左（女）右（男）合而为一的干部。为铁假面军团的统率者，善于亲自执行变装、催眠等各种扰乱作战，在第26集曾亲自驾驶机械兽与魔神Z对决，最后于第78集指挥着潜艇钢堡撞击魔神Z而阵亡。死后，地狱博士还为其在地狱城建造铜像纪念，并制造相似阿修罗男爵的外貌的机械兽展开复仇。
铁假面（鉄仮面）军团由阿修罗男爵所负责领导的军队。在阿修罗男爵死去后逐而退至后方，也曾交由哥贡大公（ゴーゴン大公）代为指挥。
伯罗肯伯爵（ブロッケン伯爵）：泷口顺平
地狱博士将死于战场中被爆风断头的原德国纳粹将领重生的干部。自第39集开始登场，和阿修罗男爵相处地十分水火不容，两人在***同作战中彼此相互扯后腿的情形更是屡见不鲜。第55集曾搭乘直接指挥式的机械兽与魔神Z交手，并于第81集在不熟悉操纵的情况下驾驶过魔神Z反被夺回，最后第91集中与地狱博士一并搭乘的飞行堡垒被魔神Z击破而亡。
铁十字军团由伯罗肯所负责领导的军队。
比格曼子爵（ピグマン子爵）：矢田耕司
地狱博士将体型巨大的马赛人与体格矮小的俾格米人合体而成的新干部。自第83集开始登场，因为本身具有非常高的能力而自恃甚高。最后于第87集只身取下光子力研究所后与地狱博士翻脸，结果被魔神Z的光子力热线给击毙。
迈锡尼帝国
高冈大公（ゴーゴン大公）：加藤修
隶属于迈锡尼（ミケーネ）帝国的谍报军，为探查地面上的情势所派出的探子；在地狱博士要开始征服世界之际，双方在巴多斯（バードス）岛结下了盟约，而后便藏身于大海底层的旋涡之下。自第68集地狱博士在经历了一再的挫败后，逐而感到独自征服世界的力量不足，转而向其要求提供比机械兽更为强有力的‘妖机械兽’予以协助；对于地狱博士的部下众干部始终固执己见保持着局外者的高姿态，更是在最后决战刻意无视地狱博士的死命求救……。而后便接连担任迈锡尼（ミケーネ）帝国地上侵略的先锋。
旁白、下集预告：矢田耕司