Trong phim, Diễm My vào vai Lan - người yêu của thiếu úy quân lực Cộng hòa Lê Viễn (Lê Tuấn Anh). Cô cũng là con gái cố vấn tình báo Mỹ - Worren (Robert Hải) - nhưng lại đứng về phía cách mạng mà không chung lý tưởng với bạn trai và bố ruột. Khi đóng phim, Diễm My nhìn trẻ hơn so với tuổi 28 ngoài đời.
Vai thiếu úy Lê Viễn đánh dấu lần chạm ngõ đầu tiên của Lê Tuấn Anh với điện ảnh, lúc anh mới 22 tuổi. Khuôn mặt nam diễn viên toát lên vẻ thư sinh, trong sáng với tóc mái bồng rẽ ngôi lệch. Trong vai một sỹ quan phục vụ cho chế độ Cộng hòa nhưng lại có cha ruột và bạn gái theo cách mạng, anh diễn tả nội tâm giằng xé giữa hai lý tưởng. Cuối cùng, tình phụ tử và tình yêu thúc đẩy anh chống lại chỉ huy cấp trên để bảo vệ lý tưởng mà cha và bạn gái theo đuổi.
Cố nghệ sĩ Hữu Lộc góp một vai nhỏ trong phim. Anh diễn tả thành công vẻ gian xảo của một tên chỉ điểm. Lúc này nam nghệ sĩ mới 17 tuổi, đang là sinh viên trường Nghệ thuật sân khấu 2 (nay là Đại học sân khấu điện ảnh TP HCM).
Nghệ sĩ Hữu Nghĩa với gương mặt vuông, góc cạnh khi vào vai một sỹ quan cấp thấp của quân lực Việt Nam Cộng hòa. Lúc này Hữu Nghĩa 27 tuổi.
Nghệ sĩ Phước Sang xuất hiện vài phân đoạn nhỏ trong vai một sinh viên hoạt động trong phòng trào yêu nước. Khuôn mặt nam diễn viên nhìn gầy gò, cương nghị khi ở tuổi 21. Ngoài vai trò diễn viên, Phước Sang còn đảm nhận khâu kịch vụ cho bộ phim. Những năm đầu 1990, nam diễn viên thường xuyên đóng vai phụ trong nhiều bộ phim gây tiếng vang như "Nước mắt học trò", "Vị đắng tình yêu".
"Bí mật thành phố cấm" còn có sự góp mặt của thế hệ nghệ sĩ gạo cội. NSND Thế Anh (trái) đảm nhận vai chiến sĩ tình báo Lê Hoàng. Ni cô Huyền Trang của phim "Biệt động Sài Gòn" - NSƯT Thanh Loan - trong vai một cán bộ cách mạng nằm vùng.
Cố nghệ sĩ Robert Hải có diễn xuất ấn tượng trong vai một cố vấn quân sự vô cùng tự tin vào những học thuyết và mánh khóe chiến tranh tâm lý của mình. Robert Hải qua đời 10 năm sau khi tham gia "Bí mật thành phố cấm" - một trong những bộ phim cuối cùng mà ông có nhiều đất diễn.
Chị Vân của phim "Nổi gió" - NSƯT Thụy Vân - đóng vai vợ hờ của cố vấn tình báo Mỹ - Worren.
NSƯT Đoàn Dũng thời trẻ trong vai chiến sĩ cách mạng hoạt động trong lòng địch.
NSƯT Kim Xuân trong vai cô gái làng chơi Ngọc Mai.
Gương mặt của diễn viên Nguyễn Hậu năm 37 tuổi trong phim.