本片的演员阵容完全沿用了电视剧版，带给大家一个充满亲切感的完整的“神探伽利略”世界。

　　扮演汤川学的依然是多才多艺、气质不凡的福山雅治( 听歌)。福山上一次出演电影还是在二十年前，而且也并非主角，此番成为银幕男主角引来了众粉丝的高度关注。与之搭档的大大咧咧的內海警官仍是柴崎幸(听歌)。除了这两位，帅气的警局前辈北村一辉、正直可爱的实验室助手渡边一计、总是在吃东西的美女法医真矢美纪，以及帝都大学物理系的研究生们都是熟面孔。

　　新故事总有新人物，电影版加盟的几位重要人物皆由重量级实力派出演。汤川学的朋友兼对手石神哲哉的扮演者是能够不露声色展现出一流存在感的堤真一。为了塑造好石神的形象，他特地剃短了头发还染白了一部分前发。片中不仅会有福山和堤叔比拼头脑的斗智戏，还会有两人一同攀登雪山的惊险动作场景。整个案件的关键人物花冈靖子则由凭借《扶桑花女孩》摘得蓝丝带最佳女主角奖的松雪泰子饰演。

　　本片主题曲和电视剧版片尾曲一样，依然由福山雅治和柴崎幸的临时组合“KOH+”承担。福山充当制作人，并负责作词作曲和编曲，而柴崎则是演唱者。这首名为《最爱》的歌风格完全不同于前作《接吻吧》，是抒情的慢歌。