"Ay'ın Düşüşü" (Moonfall) filminin ana oyuncu kadrosu ve karakterleri aşağıdaki gibidir:
Halle Berry: Jocinda "Jo" Fowler karakterini canlandırıyor. Jo, NASA'da yönetici pozisyonunda bulunan eski bir astronottur.
Patrick Wilson: Brian Harper karakterini canlandırıyor. Brian, gözden düşmüş bir astronottur ve Jo'nun eski bir meslektaşıdır.
John Bradley: K.C. Houseman karakterini canlandırıyor. K.C., Ay'ın gizemlerini çözmeye çalışan komplo teorisyeni bir bilim insanıdır.
Michael Peña: Tom Lopez karakterini canlandırıyor. Tom, Jo Fowler'ın eski eşidir.
Charlie Plummer: Sonny Harper karakterini canlandırıyor. Sonny, Brian Harper'ın oğludur.
Donald Sutherland: Holdenfield karakterini canlandırıyor. Holdenfield, Ay'ın sırları hakkında bilgi sahibi olan gizemli bir figürdür.