Cirujanos
Dr. Richard Webber (James Pickens Jr.): este cirujano, que en su pasado tuvo una aventura con la madre de Meredith, fue el jefe de cirugía hasta que, tras volver a recaer en el alcohol, es reemplazado por Sheperd. Está casado con Addele e intenta, de nuevo, superar su alcoholismo. Es restablecido a sus labores de jefe en el primer capítulo de la séptima temporada.
Dr. Derek Christopher Shepherd (Patrick Dempsey): es un reputado neurocirujano que se mudó de Nueva York a Seattle después de que su mujer, Addison, le engañara con su mejor amigo, Mark Sloan. Está enamorado de Meredith desde el primer momento en que la vio. Al final de la tercera temporada rechaza el puesto de Jefe de Cirugía del Seattle Grace para tener una mejor relación con ella, después de ver lo que había pasado en el matrimonio del jefe. Es conocido como "McDreamy" (Doctor de ensueño) entre las residentes. En la quinta temporada se casa con Meredith y a mediados de la sexta remplaza a Richard cómo jefe de cirugía. Descubre que no es como él creía y al final de la temporada recibe un balazo en el pecho que le hace reflexionar sobre la vida, por lo que renuncia a jefe de cirugía y vuelve a la neurocirugía.
Dra. Miranda Bailey (Chandra Wilson): cuando los cinco (Meredith, Cristina, Alex, Izzie y George) entraron como internos de primer año, Bailey fue su residente. Ahora es cirujana tratante de cirugía general que parece decantarse por la pediatría. Está recién separada y tiene un hijo pequeño. Es conocida como "la nazi", tiene un carácter arrollador, lo que la promueve como uno de los mejores cirujanos del hospital. En la sexta temporada entabla una relación con un anestesista traído en la fusión con el Mercy West, pero finaliza con él cuando éste no le apoya en el momento más importante de su vida.
Dra. Calliope Iphigenia Torres, "Callie" (Sara Ramírez): la ex-mujer de George es experta en cirugía ortopédica. Tras darse cuenta de que su marido le era infiel con Izzie, Callie obtiene (durante poco tiempo) el puesto de jefa de residentes, aunque debido a su ineptitud para llevar el peso que supone, el puesto pasa a manos de Bailey. En el terreno amoroso, ha tenido una relación homosexual con Erica Hanh (que se marchó del hospital) y ahora mantiene otra con Arizona Robbins. Poco antes de la fusión entre el hospital Seattle Grace y el Mercy West, su máximo rival, es despedida y contratada por el Mercy West. Durará poco tiempo, dado que ella quiere volver a su antiguo puesto, consiguiéndolo. En la sexta temporada rompe con Arizona, ya que ella desea tener hijos y Robbins no, pero al final de la temporada tras salvarse de la masacre vuelven.En el primer capítulo de la séptima temporada Callie le propone a Arizona que se mude a vivir con ella, cosa que acepta, pero la pediatra acepta una beca para mudarse a África y la relación termina.
Dr. Mark Sloan (Eric Dane): es un prestigioso cirujano plástico cuyo atractivo no pasa inadvertido entre las trabajadoras de Seattle Grace. Siendo mejor amigo de Derek, Mark se acostó con Addison, forzando así que Derek se marchara a Seattle. En la 3ª temporada revela que el verdadero motivo por el que acudió al hospital: quería recuperar su amistad con Derek. Es conocido como "McSteamy" (Doctor Caliente) entre las internos. En la quinta temporada termina oficializando su relación con Lexie y en la sexta se descubre que tiene una hija de 18 años de la que nunca quiso hacerse cargo, que dificulta su relación con "la pequeña Grey". Aunque después inicia una breve relación con Teddy Altman, él sigue enamorado de la hermanastra de la mujer de su mejor amigo.
Dra. Arizona Robbins (Jessica Capshaw): divertida y optimista, Al contrario que su pareja, no quiere tener hijos -provocando una breve ruptura entre ambas-, pero el amor que siente por su compañera es tal que decide tenerlos más adelante. Es hija de un coronel y su hermano murió en la guerra, por lo que en la quinta temporada entiende la decisión de George O'Malley de alistarse al ejército. Al obtener un subsidio debe mudarse a África y rompe con Callie
Dr Owen Hunt (Kevin McKidd): tras salvarle la vida a un paciente en la carretera, el médico militar Owen Hunt obtiene un puesto en el Seattle Grace. Sin que su familia sepa que ha vuelto de Iraq y con una crisis encima, Hunt y Cristina se enamoran e inician una relación llena de obstáculos. En la sexta temporada, la relación se verá en peligro con la llegada de una antigua compañera del ejército, la doctora Altman, de la cual estuvo enamorado. Finalmente elige a Cristina y se casa con ella, mudándose e iniciando una nueva etapa juntos.
Dra. Teddy Altman (Kim Raver): antigua amiga de Owen, es una cirujana cardiotorácica que está enamorada de Hunt desde hace tiempo y que llega en la sexta temporada. Pondrá en peligro la relación entre el cirujano de trauma y la residente. Cerca del final de la sexta temporada inicia una relación con Mark Sloan, la cual termina al ver a Reed en la cama de Mark. Tras sobrevivir al tiroteo, inicia un affair con el psicólogo que ayuda a los miembros del hospital.
Antiguos pacientes y familiares
Denny Duquette (Jeffrey Dean Morgan) fue un paciente que necesitaba urgentemente un trasplante de corazón. La interna que estaba a su cargo solía ser Izzie, de la cual acabó enamorándose y pidiéndole matrimonio. Después de que Izzie "robase" un corazón para él, acabó muriendo por un fallo con un coagulo. Fue ella quién lo encontró muerto, entrando así en una crisis de la que le costó salir. Semanas después de su muerte, el padre de Denny apareció para entregarle la herencia de su novio: 8 millones de dólares. El personaje fue tan querido por la audiencia que los guionistas han decidido repescarle como fantasma: en la tercera temporada mantuvo una conversación con Meredith cuando esta estaba entre la vida y la muerte y en la quinta temporada Izzie lo veía, dándose cuenta posteriormente de que en realidad tenía un melanoma con metástasis cerebral, lo que provocaba ver a Denny.
Rebeca Poppe | Ava (Elizabeth Reaser) fue encontrada por Alex en el accidente del ferry embrazada y con la cara desfigurada; casi enseguida es sometida a cirugía plástica para reconfigurar su rostro. Dado que como resultado del accidente quedó amnésica, con ayuda de Alex ella decide tomar el nombre de Ava; poco a poco entre ellos se consolida una muy una buena relación, y acaban como que enamorándose. No obstante, Alex no se decide entre Ava y Addison, y las dos terminaron marchándose del hospital, una por motivos profesionales y la otra porque finalmente recobró la memoria y se marchó con su familia, con lo cual descubrimos que estaba casada y se llama Rebeca Poppe. En la cuarta temporada volvió en busca de Karev diciéndole que estaba embarazada... ¡de él!. Aun así, Izzie descubre que es un embarazo psicológico. Debido a secuelas del accidente de ferry, la joven acaba cortándose las venas y siendo ingresada, dejando a Alex destrozado y en los brazos de Izzie.
Thatcher Grey (Jeff Perry) es el padre de Meredith y Lexie. Primero estuvo casado con Ellis Grey donde nació Meredith y tras la infidelidad de ésta conoció a Susan, con quién tuvo a Lexie. Es alcohólico tras la muerte de su segunda mujer y tiene una relación extraña con su hija mayor, quién tarda en aceptarle.
Adele Webber (Loretta Devine) es la mujer de Richard Webber. Mientras su marido le era infiel con Elis ella era consciente en todo momento, pero lo consintió. Con los años le dio un ultimatum: o dejaba la dirección del hospital o ella le dejaba a él. Finalmente volvieron juntos.
Han abandonado la serie
Kate Burton interpretó, en capítulos especiales durante las tres primeras temporadas a Ellis Grey, la madre de Meredith. De carácter fuerte, esta reputada cirujana mantuvo una relación extramatrimonial con Richard que le costó su matrimonio. Con los años enfermó de Alzheimer y murió después de tener unas horas de lucidez en las cuales discutió con su hija por ser "una personal normal". Coincidiendo que madre e hija están entre la vida y la muerte, en el limbo, ambas se despiden y se perdonan.
Chris O'Donnell interpretó durante los últimos capítulos de la segunda temporada y primeros de la tercera a Finn Dandrige, el veterinario del perro de Meredith y Derek que acaba enamorándose de ella. El triángulo amoroso llegó hasta tal punto que Meredith tuvo que decidir entre uno y otro. El escogido fue Derek y Finn se marchó.
Isaiah Washington fue Preston Burke, un cirujano cardiotoráxico que mantuvo una relación con Cristina durante tres temporadas. Ordenado, aficionado al jazz, su vida cambia cuando descubre que no va a ser nombrado jefe y duda entre casarse o no con su novia. Finalmente elige dejarla plantada en el altar e irse de la ciudad. El actor dejó la serie por problemas con sus compañeros de rodaje después de llamar a T.R. Knight "marica".
Kate Walsh interpretó durante la segunda y tercera temporada a Addison, la mujer de Derek Sheperd, la cual viaja a Seattle después de haberle sido infiel con Sloan, el mejor amigo de él. Aunque en un primer momento solo viene al hospital para una operación, acaba siendo contratada. Primero intenta recuperar a su marido, pero después del divorcio lo intentará con Sloan y Alex. Al final de la tercera temporada viaja a Los Ángeles, a la clínica de unos antiguos amigos suyos donde acaba siendo contratada. La actriz dejó la serie para ser la protagonista del spin-off de la serie: Private Practice, conocido en España como Sin cita previa. Continua apareciendo en capítulos especiales.
Brooke Smith interpretó, primero en capítulos especiales de la segunda y tercera temporada y finalmente como regular en parte de la cuarta y quinta, a la cirujana cardiotorácica Erica Hahn, la rival desde la facultad de Burke. Un tanto fría con Cristina, iniciará una relación con Callie. La actriz dejó la serie en mitad de la quinta temporada porqué "el personaje no daba más de sí".
T. R. Knight interpretó durante las cinco primeras temporadas a George O'Malley, uno de los cinco que inició su período como interno en el hospital Seattle Grace. Patoso y muy inteligente, suspendió el período de interinidad (aunque finalmente consiguió aprobarlo) y se enamoró y se acostó con Meredith, se casó con Callie, siéndole infiel con Izzie, separándose de su mujer e iniciando una relación con Iz y, tras dejarlo con ella, se dedica plenamente a su vida laboral. Muere tras salvarle la vida a una desconocida de morir atropellada por un autobús. El actor dejó la serie por su mala relación con la creadora, Shonda Rhimes.
Katherine Heigl interpretó, a lo largo de cinco temporadas y capítulos contados de la sexta, a Izzie, una cirujana que empatizaba mucho con sus pacientes. Llegó a enamorarse de uno de ellos, incluso. A pesar de tener una relación con el por aquel entonces casado George, su mejor amigo, se casó con Alex mientras superaba un cáncer, que descubrió tras tener visiones de su difunto amor Denny. En la sexta temporada es despedida y, echando las culpas de su despido a su marido, decide irse y divorciarse de él. La actriz dejó la serie por motivos familiares.
Norah Zehetner interpretó, en casi toda la sexta temporada, a la doctora Reed Adamson, que cambió su bata del Mercy West por la del Seattle Grace tras la fusión. Sintiéndose atraída por Alex, finalmente es asesinada en el season finale de la sexta temporada.
Robert Baker interpretó, en casi toda la sexta temporada, al doctor Charles Percy, el cual cambió también su bata del Mercy West por la del Seattle Grace. Estaba enamorado, en un secreto a voces, de Reed y, como ella, murió asesinado el mismo día.
Michael O'Neill interpretó, en diversos episodios de la sexta temporada, a Gary Clark, un personaje profundamente deprimido a raíz de la muerte de su mujer, sucedida después de la decisión del doctor Shepherd de desconectarla de la máquina que la mantenía "viva". Gary Clark juró venganza contra él y los doctores que la atendieron: Richard Webber y Lexie Grey. En su intento por acabar con ellos, asesinó a multitud de trabajadores del hospital, entre ellos Reed Adamson y Charles Percy. Hirió de gravedad a Alex y a Shepherd. Poco después se suicidó tras conversar con Webber y gastar la última bala.
Dra. Meredith Grey (Ellen Pompeo): hija de una reconocida cirujana, Meredith es la protagonista de la serie. Mantiene una relación con Derek y es la narradora de cada episodio. Su madre, una eminente y reconocida doctora, autora de un libro sobre anatomía. muere a causa del alzheimer. Su padre, con el que no tiene relación, reaparece en su vida y su hermanastra Lexie ingresa como interna del hospital. Está casada con Derek tras muchas idas y venidas y finalmente se plantea ser madre.
Dra. Cristina Yang (Sandra Oh): la mejor amiga de Meredith y residente, amante de la cirugía cardiotorácica. Es sarcástica, competitiva, atrevida, fría, soñadora y arrogante, además de una "yonqui de la cirugía" altamente competitiva. Tuvo una relación con el Dr. Burke, que finalmente la dejó plantada en el altar. En la quinta temporada se enamora del nuevo jefe de trauma, el Dr. Owen Hunt, con el que comienza una relación y termina casándose. En la séptima temporada decide renunciar a la cirugía por las consecuencias psicológicas del tiroteo.
Dr. Alex Karev (Justin Chambers): aprobado por los pelos, Alex quiere especializarse en cirugía plástica o neo-natal. Bocazas, borde y engreído pero que también tiene su lado sentimental, Alex está obsesionado con el sexo. Ha tenido líos amorosos con algunas doctoras del hospital, como Izzie y Addison. Incluso tuvo un lío con la hermanastra de Meredith, Lexie. Aunque también estuvo enamorado de una paciente amnésica, Rebecca (a la cual llamaba Eva por desconocer el nombre), que rescató después de un accidente en el muelle. En la quinta temporada vuelve a tener una relación con Izzie que termina en boda, pero ella se marcha y le pide el divorcio. En la sexta temporada empieza uan relación con Lexie y en el final trágico de la temporada recibe un balazo en el pecho, del cual no muere, porque el dr. Sloan y Lexie lo salvan.
Dra. Alexandra Caroline Lexie Grey (Chyler Leigh): la media hermana de Meredith por parte de padre entra como interna en la cuarta temporada bajo las órdenes de Cristina. En lo sentimental, primero inicia un affair con Alex, para enamorarse después de su amigo George. Cuando descubre que él sólo la ve como amiga, ella inicia una relación con Mark Sloan. Todo va bien hasta la llegada de la hija embarazada de él, la cual provoca una ruptura, tras la cual ella volverá a mantener un affair con Alex.
Dr. Jackson Avery (Jesse Williams): médico del Mercy West que cambia su bata por la del Seattle Grace. Es competitivo, un líder nato, poco imprudente, que hace bromas a todo el mundo. Aunque quiera ocultarlo, es el nieto de un reputado cirujano.
Dra. April Kepner (Sarah Drew): doctora del Mercy West que cambia su bata por la del Seattle Grace tras la fusión. Tras cometer un grave error médico, dirección decide despedirla. Cuando Sheperd es nombrado jefe decide contratarla de nuevo y la joven empieza a sentir algo por Derek.