《唐人街探案3》的演员表如下：
唐仁：由王宝强饰演，秦风的远方表舅，自封唐人街第一神探，实则是蹩脚侦探，会说泰语，不会英语。性格撒谎、好色、有小聪明但也幼稚，学过莫家拳，和秦风一起破获过多起案件。
秦风：由刘昊然饰演，唐仁的远方外甥，说话结巴，会英语，讨厌谎话。喜欢侦探小说，推理能力出色，和唐仁一起经历过多起冒险。
野田昊：由妻夫木聪饰演，日本富豪侦探，有着和秦风不相上下的推理能力，中日混血，自恋狂，会中日英三国语言。
杰克贾：由托尼贾饰演，泰国侦探，功夫高强，以一打十，因日本的棘手案件，代表泰国和中国、日本的侦探进行角逐。
渡边胜：由三浦友和饰演，日本黑帮老大，本次案件的委托人，小林杏柰的亲生父亲，被亲生女儿小林杏柰嫁祸被捕，最后被无罪释放。
小林杏奈：由长泽雅美饰演，苏察维秘书，唐仁的爱慕对象，渡边胜的亲生女儿，是杀死苏察维的凶手，最后被秦风揭穿阴谋，被捕入狱。
田中直己：由浅野忠信饰演，Q组织成员，日本警察。
思诺：由张子枫饰演，泰国生活的神秘少女，非常聪明，似乎和Q组织有关联，后期疑似会加入Q组织。
KIKO：由尚语贤饰演，香港的黑客侦探，破案基本靠黑进警方资料库，精通多国语言和电脑，推理APP“CRIMASTER”世界排名第五。
川村芳子：由铃木保奈美饰演，野田昊的朋友，日本高官，大检察官。
村田昭：由染谷将太饰演，日本通缉犯，受Q组织成员田中直己利用，绑架了小林杏柰，向秦风发出挑战，最后自杀。
此外，还有宋义（肖央饰）、林默（邱泽饰，仅在剧中提及，未实际出演该部）、IVY（张钧甯饰，同样仅在剧中提及，未实际出演该部）、野田昊二（陈哲远饰）、“五大灵童”侦探小分队成员陆菁菁（程潇饰）、山本佑太（马伯骞饰）、柳风（李明轩饰）、程天顺（崔雨鑫饰）等角色，共同构成了这部影片丰富的人物群像。
