曾兩度入圍電視金鐘獎的余佩真，在《流麻溝十五號》裡飾演單純的中學女生余杏惠，喜歡繪畫的她莫名捲入政治事件，成為身繫囹圄的思想犯。編導周美玲表示，余佩真演出前，主動閱讀白色恐怖相關書籍，同時看去受難者的紀錄片，她發現某些倖存的受難者即使經歷苦難折磨，仍保有善良助人的心，讓她非常感動，也更能詮釋那個時代的人物。
《流麻溝十五號》裡，除了最早確定演出的余佩真，接著是連俞涵。周美玲透露，與連俞涵接觸時，她表示自己很喜歡拍歷史劇，對於影片題材也坦然接受，雙方一拍即合。有趣的是，周美玲問她想演劇本裡3個角色中的哪一個？連俞涵毫不猶豫地說「陳萍」。片中的「陳萍」來自山東煙台，而且擅長跳舞，連俞涵因為小時候曾經學過舞蹈，因此相中這個角色。
為了飾演「陳萍」，連俞涵得努力學習山東煙台腔的國語，還有跳舞，儘管辛苦卻樂在其中。周美玲說，連俞涵告訴她，因拍片練習跳舞，重拾童年跳舞的快樂，也深深體會到舞蹈家蔡瑞月所說「在舞蹈中才是自由的」的真義。
至於飾演進步女青年嚴水霞的徐麗雯，戲裡是已結婚生子的護士，因思想不容於當局遭逮捕。劇組與徐麗雯接洽時，她剛生完第二個小孩，因此對嚴水霞這個母親的角色非常有感。由於徐麗雯是客家人，為了演戲她得學習台語，此外還有不少日語台詞，必須切換多種語言表演，頗具挑戰性。
