Hauptbesetzung

• Kriminaldirektor Michael Kaiser (Karl Kranzkowski) ist der Leiter des Polizeipräsidiums und ist unmittelbarer Vorgesetzter der SOKO. Er ist Koordinator und Manager der Polizeiarbeit und steht in enger Verbindung mit dem Team.
• Erste Kriminalhauptkommissarin Martina Seiffert (Astrid M. Fünderich) ist die Leiterin der SOKO. Sie hat ein hohes Maß an Verantwortungsbewusstsein und geht ihren Job mit äußerster Besonnenheit und Souveränität an. Auch in kritischen Situationen behält sie stets den Überblick.
• Kriminalhauptkommissar Joachim Stoll (Peter Ketnath) ist ein impulsiver Ermittlertyp, der oft aus dem Bauch heraus Entscheidungen zur Herbeiführung von Lösungen zu den Fällen trifft. Bei seiner Arbeit ergänzt er sich gut mit seiner Chefin, mit der er sich auch menschlich gut versteht.
• Kriminalkommissar Rico Sander (Benjamin Strecker) ist Asperger-Autist und bildet das „Gehirn“ der Truppe. Er gilt als sehr ehrgeizig, intelligent und technisch versiert, andererseits introvertiert und menschenscheu. Seine schnelle Auffassungsgabe und sein mathematisch orientiertes Denken machen ihn zudem unersetzlich für die Ermittlungsarbeit. Bis zur dritten Staffel hat er für die SOKO als Kriminalassistent gearbeitet. Fortan ist er Kriminalkommissar.
• Kriminalkommissarin Lea Gomez (Jasmin Gassmann)

Nebenbesetzung

• Jan Arnaud (Mike Zaka Sommerfeldt) ist Leiter der Kriminaltechnik (KTU) und unterstützt die Ermittler bei ihren Fällen.
• Dr. Benedikt Förster (Florian Wünsche) ist Rechtsmediziner und liefert durch seine Obduktion Hinweise zu Tathergang und Täter.
• Friedemann Sonntag (Christian Pätzold) ist Leiter der Asservatenkammer bei der Stuttgarter Kriminalpolizei.
• Karl Heinz „Schrotti“ Schrothmann (Michael Gaedt) ist Automechaniker und Autohändler und ein guter Freund von Jo Stoll.
• Cordula Seiffert (Anna Bullard-Werner) ist die Tochter von Martina Seiffert.
• Richard Seiffert (Stephan Schad) ist der Mann von Martina Seiffert.
• Klaus Bühler (Claude-Oliver Rudolph) ist eine Stuttgarter Unterweltgröße.
• Pia Sander (Sabine Orléans) ist die Mutter von Rico Sander.
• Amelie Thalheim (Janina Agnes Schröder) ist die Mitbewohnerin von Rico Sander und eine professionelle Hackerin.
• Sibylle Beyer (Bärbel Stolz) ist Streifenpolizistin.
• Katja Wiedemann (Elisabeth von Koch) vertritt Martina Seiffert nach deren Skiunfall.
• Manfred Becker (Attila Georg Borlan) ist der Vater von Nele Becker und Inhaber eines Beerdigungsinstituts

Ehemalige

• Kriminaloberkommissarin Anna Badosi (Nina Gnädig) hat Kriminalistik und Psychologie studiert. Sie war leidenschaftlich mit ihrem Beruf verbunden. Sie vertrat in jeder Situation mit klaren Worten ihre Ansichten und ging dabei auch Ungerechtigkeiten nicht aus dem Weg. In der ersten Episode der vierten Staffel verletzte sie bei einem Einsatz einen Menschen tödlich und verließ daraufhin die SOKO Stuttgart, um ihr Psychologiestudium fortzusetzen. Im Zweiteiler „Blutiges Wiedersehen“ (Episoden 333/334) übernimmt sie eine Gastrolle, dabei gerät sie unter Mordverdacht.
• Kriminalkommissaranwärterin Cornelia „Nelly“ Kienzle (Sylta Fee Wegmann) war energiegeladen, angstfrei und manchmal verbissen. Dadurch wirkte sie als Gegenstück zu Rico Sander, mit dem sie eine Art Konkurrenzkampf um Anerkennung und Kompetenz verband. Sie verließ die SOKO während der fünften Staffel und wechselte zur Berliner Kripo. Im Zweiteiler „Blutiges Wiedersehen“ (Episoden 333/334) übernimmt sie eine Gastrolle.
• Prof. Dr. Lisa Wolter (Eva Maria Bayerwaltes) war Rechtsmedizinerin und lieferte durch ihre Obduktion Hinweise zu Tathergang und Täter. Ihr Nachfolger in der SOKO Stuttgart wurde Dr. Benedikt Förster (Florian Wünsche), der schon einige Episoden als Assistenzarzt der Rechtsmedizin dabei war.
• Kriminalkommissarin Selma Kirsch † (Yvonne Burbach) konnte als sogenannte „Soundprofilerin“ extrem gut hören, Unsicherheiten und Lügen gut erkennen. Sie ist in einem bürgerlichen Elternhaus am Stuttgarter Killesberg wohlbehütet aufgewachsen. Ihr geisteswissenschaftliches Studium brach sie ab, um Polizistin zu werden, nachdem sie Zeugin eines brutalen Überfalls wurde. Sie stirbt in Staffel 11, Episode 11 (Skate or die) bei einem Autounfall.
• Kommissaranwärterin Nele Becker (Nina Siewert) ersetzte mit Beginn der 12. Staffel die verstorbene Selma Kirsch und ist Schülerin von EKHK Seiffert an der Polizeihochschule. In der vierten Episode der 12. Staffel (Ruhe in Frieden) erfährt man, dass sie Halbwaise und ihr Vater Bestatter ist. Sie wurde anfangs zwar von allen mit dem Vornamen angesprochen, dennoch von EKHK Seiffert zugleich gesiezt, später jedoch geduzt. In der 11. Folge der 13. Staffel (Misfits) quittiert sie den Dienst und nimmt eine Stelle auf einem Hof an, auf dem straffällige Jugendliche resozialisiert werden. Sie begründet diese Entscheidung damit, dass sie in ihrem Leben schon viel zu viele Leichen gesehen hat, und sich deswegen in ihrem Beruf bei der Mordkommission nicht mehr wohl fühlt, und etwas Neues ausprobieren möchte, wo sie auch Dinge verändern kann. Im Zweiteiler „Blutiges Wiedersehen“ (Episoden 333/334) übernimmt sie eine Gastrolle.

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