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阿虚（キョン）（声优：杉田智和）
阿虚本作的主角。阿虚其实是他的绰号，本名不明，负责故事旁白的角色。虽然故事以凉宫春日为中心，但故事是以阿虚的角度说出的。县立北高中一年五班的学生，家里有双亲跟一个妹妹，还有《凉宫春日的叹息》中捡来的公三色猫三味线。小时候渴望遇到有趣、不可思议的事件，但他明白到“外星人、未来人、超能力者、异世界人等等”都只是虚构的，便渐渐地开始习惯现实，希望平凡地度过一生，直到遇上了凉宫春日。自从被春日强行拉进SOS团后，他便常因春日的鬼主意而忙得不可开交。他是SOS团唯一的正常人，因此常会对春日的无理命令及众人对春日的服从态度感到不满并抱怨（大多是对春日及古泉的抱怨，亦是此作的特色）。对朝比奈实玖琉有好感，并能察觉到长门极微的表情变化。他也是几乎唯一一个会劝告春日的人。根据古泉的说法，他是春日“在现实世界唯一想在一起的人”。他常常要解决春日有意无意间所闯的祸，在这个时空拥有最大的煽动春日的能力。虽然他经常抱怨，但其实他是十分喜欢在SOS团的生活的。
阿虚在《竹叶狂想曲》的时光旅行中，回到三年前的七夕接触春日时使用的假名，因此春日在后来真正初次和阿虚见面的时候就对他隐约有所印象，但之后春日始终不知道阿虚就是约翰史密斯。这名字也成为了《凉宫春日的消失》中阿虚和失去记忆的春日的最后连系。
凉宫春日县立北高中一年五班的学生，SOS团的团长，座位永远在阿虚的后方。不但容姿端丽，而且无论学业或运动都相当优秀，但是个性唯我独尊，对于不喜欢的话都听不进去。原本一直过著平凡的生活，但自从在小学六年级时看了一场棒球赛后，便发现自己原来是十分渺小的，生活也是十分平凡乏味。因此，她在初中开始改变自己，不断做出各种怪事（如在晚上潜入学校操场画奇怪的符号），希望借此发现发现异常的事物，因此在东国中和北高都无人不晓她的名字，并将她当成怪人。到了北高后，因为阿虚的一句话而灵光乍现，成立SOS团。极其冲动，而且好胜心极强，一有任何鬼点子（通常都是毫不经过大脑的）都要立刻执行，但是奔波受苦的一向都是阿虚跟朝比奈。拥有在本人不自觉之下改变现实的能力，只要是她想要的东西，便一定会出现，但因为她还有正常人的常识，世界才不致于被改变。她这种能力导致她被各方势力关注中，但本人完全不知情。她对阿虚的感情比起对其他人深厚，在多部作品中，均显出她是非常重视阿虚的。
长门有希（长门有希（ながとゆき））（声优：茅原实里）
长门有希县立北高中的一年级学生，是被SOS团占用的文艺部教室的仅存部员，平时总是面无表情地看书（多是厚厚的精装书），独居。她的真正的身份是由存在于宇宙中的“资讯统合思念体”在故事开始前三年所制造，用来与有机生命体接触的联系装置外星人，目前的任务是观察凉宫春日。她拥有借著“改变空间资讯”来操控物件的能力（如把球棒变成自动击出全垒打），并经常在各个事件中暗中发挥能力协助而深受阿虚信赖，因此在阿虚的内心独白有“长门大明神”的称号。不使用违反物理定律的操作也可以轻易侵入任何连在网络上的电脑。除了书本外对电脑研究社自创的游戏也有点兴趣。初登场时的造型是个眼镜娘，在朝仓刺杀阿虚不遂后因阿虚的意见改为无眼镜的造型。随著故事的发展，她也逐渐露出各种感情。在《凉宫春日的消失》中，长门是众人里唯一个性改变的人物。
朝比奈实玖琉县立北高中的二年级学生，有一副可爱的娃娃脸及不相称的**，有不少男生支持者，被谷口喻为“北高的小天使”。因为春日说需要萝莉**萌吉祥物的角色而被强迫加入SOS团。她原是书法部的学生，现在则是SOS团的女仆兼吉祥物。常被春日强迫做各式各样的cosplay，并在社团教室电脑中留有许多精彩的照片（被阿虚设为隐藏独占）。在SOS团的指定工作是为团员泡茶，为了做得尽善尽美，更会亲自购买优质茶叶来服务其他团员。性格胆小、怕事，不时哭丧著脸的样子。左胸上有一颗星形的痣。她的真正的身份是来自未来的调查员，但是因为阶层低而没有任何特别的能力跟权限，跟普通人没两样。由于规定限制，只要谈话内容涉及禁止谈论的事项，就会用“禁止事项”代替。在《朝比奈实玖琉的忧郁》中因为自己的无能而感到苦恼。每当自觉与阿虚有任何较亲密举动都会紧张不已，为了让凉宫与阿虚之间的既定事项能够出现而要求阿虚与自己保持距离。年龄不详。
朝比奈实玖琉（大）
在本作中数度登场、朝比奈实玖琉数年后的样子。在文中以“朝比奈实玖琉（大）”来加以区别。变得比较成熟稳重。实玖琉（大）经过努力争取后，在组织中拥有比较多的权限和能力。“这是既定事项。”一话是她的口头禅。曾叮嘱阿虚︰“不要对我太好。”
古泉一树（古泉一树（こいずみいつき））（声优：小野大辅）
古泉一树神秘的转学生，被春日拐到SOS团的一年九班学生，并被春日任命为SOS团的副团长。在故事中是类似智囊、总是带著微笑的角色。根据当时心情的不同，古泉脸上的笑容会有很微妙的差别。而他脸上的“人畜无害”的笑容，亦是古泉一树最突出的人物特色。喜欢玩各式各样的桌上游戏，并经常带不同种类的桌上游戏到社团教室和阿虚玩，但技术都十分烂。喜欢对阿虚说哲学理论（多半和凉宫春日有关）。他的真实身份是超能力组织“机关”的一员，是一个只能在闭锁空间中发挥超能力的超能力者，平时一样也是看不出任何特殊之处的普通人。由于工作与凉宫春日的精神不安定而做成的闭锁空间有关，所以对凉宫春日的精神状态尤其关心，并自称是研究凉宫春日精神状态的专家。在《凉宫春日的消失》中，古泉是唯一一个仍待在春日身边的SOS团团员，并喜欢上了春日。
校内同学
一年五班的班长，被谷口评为AA+级的美少女，头脑好、性格好，是在班上很受欢迎的风云人物。她的真正身份和长门一样为资讯统合思念体属下的外星人，和长门一样有操纵空间资讯的能力，并和长门住在同一座公寓。她原本的任务是辅助长门观察凉宫春日，但为了令观察对象（凉宫春日）出现变化，故此决定将阿虚──凉宫唯一重视的人——杀死，以观察其改变，最后在刺杀阿虚的过程中被长门解除资讯结合而消失。长门为了隐藏这个秘密，于是令人以为朝仓的消失是因为要和家人一起移民到加拿大。在《凉宫春日的消失》中，朝仓再次出现，并在长门身边担任保护长门的角色。
谷口（谷口（たにぐち））（声优：白石稔）
一年五班学生，和春日一样毕业于东国中。喜欢钓马子，并曾将北高一年级的所有女生评级。阿虚和春日搭话前阿虚就是从谷口口中得知春日的往事。
国木田（国木田（くにきだ））（声优：松元惠）
一年五班学生，国中时和阿虚是同学，一直认为阿虚喜欢奇怪的女孩子（阿虚坚称这是误会）。
鹤屋（鹤屋（つるや））（声优：松冈由贵）
朝比奈的同班同学，SOS团的名誉顾问。个性活泼、大而化之，平常很照顾朝比奈。家里不是一般的有钱（住在一间非常大的和式宅第，并有多间别墅），由凉宫春日的阴谋中可知其家给古泉的组织也提供资助。知道春日、长门和朝比奈不是普通人，并曾说过阿虚身上有著和她一样的正常人味道。
电脑研究社社长（コンピュータ研究会部长）（声优：小伏伸之）
真名不明的二年级电脑研究社社长、独居。被春日以他“性骚扰”朝比奈的照片威胁，送出一部新型电脑给SOS团，还要帮助春日装配线路的可怜人。因为这样而深深不忿，所以经常登入SOS团的网页，看看他们有没有更新（也令他卷入了《神秘讯号》事件之中）。在《射手座之日》更使用自己开发的电脑游戏向SOS团挑战，却被长门收拾得干干净净，亦因此失去四部手提电脑。
喜绿江美理（喜绿江美里（きみどりえみり））（声优：白鸟由里）
县立北高中二年级的女生，与朝比奈并不同班，只在共同课程时与她见过面，两者之间甚至连话也没有多说过。在《神秘讯号》一文中，以电脑研究社社长的女朋友的身份到来文艺部室向SOS团求助，希望能寻回失踪的男友。事实上，电脑研究社社长也不知道自己有这样的一个女朋友，据长门说喜绿也是外星人终端，据阿虚猜测她是属于稳健派的。现为学生会书记。
其他角色
虚妹（キョンの妹）（声优：青木静香）
阿虚的妹妹，本名不明，就读小学五年级。阿虚的绰号就是她向阿虚的同学“发扬光大”的。个性活泼、天真无邪，有时候也会参与SOS团的活动（如棒球比赛、合宿、拍摄电影等）。
在《凉宫春日的叹息》中凉宫春日因要拍摄电影而捡来的雄性三色猫。最初因凉宫的愿望而拥有说话的能力（而且还是说一些充满哲学味道的话），后来因世界回复正常而丧失了说话的能力，并被阿虚收养。昵称三味。（注：日本传统乐器三味线的共鸣箱是由猫皮作成。）
三味线二号（シャミセン2号）（动画中并未登场）
在《寻猫记》中古泉因要玩推理游戏而捡来作道具的雌性三色猫。昵称三味二。
多丸圭一（多丸圭一（たまるけいいち））（声优：井上和彦）
在《孤岛综合症》中初次登场。在孤岛和雪山的时候是别墅的主人。“机关”的一员。
多丸裕（多丸裕（たまるゆたか））（声优：森川智之）
在《孤岛综合症》中初次登场。在孤岛和雪山的时候是多丸圭一的弟弟。“机关”的一员。
新川（新川（あらかわ））（声优：大冢明夫）
在《孤岛综合症》中初次登场。在孤岛和雪山的时候是受聘于多丸圭一的管家。“机关”的一员。他也是那部在《忧郁》中接载阿虚及古泉的黑色出租车的司机（详见动画版第十三集《凉宫春日的忧郁5》）。
森园生（森园生（もりそのう））（声优：大前茜）
在《孤岛综合症》中初次登场。在孤岛和雪山的时候是受聘于多丸圭一的女侍。“机关”的一员，年龄不详。
中河（中河（なかがわ））（动画中并未登场）
在《示爱怪客》中初次登场。他是阿虚在初中认识的点头之交，是一个身材健壮的热血青年。在SOS团第一次户外活动当日对长门一见钟情，自当时开始已经计划十年后的婚姻计划，并借阿虚的手向长门表达爱意而引起了长门的兴趣。最后长门发现整件事的原委是因为中河拥有透过联系装置外星人（长门）看到资讯统合思念体的超能力，而中河所爱的是其实是资讯统合思念体所散发出来的智慧光芒。在长门消除他这种超能力后，中河便对长门失去兴趣，但中河由始至终都不知道整件事情的真相。
学者（暂译）（ハカセくん）（动画中并未登场）
在《朝比奈实玖琉的忧郁》里首次登场，本名不明。是个有礼貌的小男孩（约小五，小四），并且很擅长绘画。住在凉宫春日的家附近，春日经常会帮他补习。对未来人来说，他是一个很重要的人，因为没有他便不能实现时间旅行。有一天，在回家的路途差点被其他的未来人用车撞死，幸得阿虚及朝比奈相救，才幸免于难。阿虚及朝比奈是经由朝比奈（大人版）的提示到达了救得学者的十字路口。有可能是时间机器的发明人