 | Jake Gyllenhaal als Robert Graysmith |
 | Mark Ruffalo als Inspector David Toschi |
 | Anthony Edwards als Inspector William Armstrong |
 | Robert Downey Jr. als Paul Avery |
 | Brian Cox als Melvin Belli |
 | Charles Fleischer als Bob Vaughn |
 | Zach Grenier als Mel Nicolai |
 | Philip Baker Hall als Sherwood Morrill |
 | Elias Koteas als Sgt. Jack Mulanax |
 | James Le Gros als Officer George Bawart |
 | Donal Logue als Captain Ken Narlow |
 | John Carroll Lynch als Arthur Leigh Allen |
 | Dermot Mulroney als Captain Martin Lee |
 | Chloë Sevigny als Melanie |
 | Richmond Arquette als Zodiac 1 / Zodiac 2 |
 | Bob Stephenson als Zodiac 3 |
 | John Lacy als Zodiac 4 |
 | Ed Setrakian als Al Hyman |
 | John Getz als Templeton Peck |
 | John Terry als Charles Thieriot |
 | Candy Clark als Carol Fisher |
 | June Diane Raphael als Mrs. Toschi |
 | Ciara Hughes als Darlene Ferrin |
 | Lee Norris als Young Mike Mageau |
 | Patrick Scott Lewis als Bryan Hartnell |
 | Pell James als Cecilia Shepard |
 | David Lee Smith als Father |
 | Jason Wiles als Lab Tech Dagitz |
 | Charles Schneider als Cabbie / Paul Stine |
 | James Carraway als Shorty |
 | Tom Verica als Jim Dunbar |
 | Jimmi Simpson als Mike Mageau |
 | Doan Ly als Belli's Housekeeper |
 | Karina Logue als Woman |
 | Joel Bissonnette als Inspector Kracke |
 | John Mahon als Riverside Captain |
 | Matt Winston als John Allen |
 | Jules Bruff als Catherine Allen |
 | John Ennis als Terry Pascoe |
 | J. Patrick McCormack als Police Commissioner |
 | Adam Goldberg als Duffy Jennings |
 | Clea DuVall als Linda del Buono |
 | Paul Schulze als Sandy Panzarella |
 | Adam Trese als Detective #1 |
| Penny Wallace als Mulanax's Secretary |
 | John Hemphill als Donald Cheney |
 | Michel Francoeur als Man on Marquee |
 | Thomas Kopache als Copy Editor #1 |
 | Barry Livingston als Copy Editor #3 |
 | Christopher John Fields als Copy Editor #4 |
| Jack Samson als Young David Graysmith |
 | Micah Sauers als David Graysmith |
 | Zachary Sauers als Aaron Graysmith |
| Jessica Baltutis als Margot Graysmith |
 | Peter Quartaroli als Patrolman Fouke |
 | Geoff Callan als Patrolman Zelms |
| Michael Hungerford als Truck Driver |
 | Anna Katarina als Society Woman |
 | E.P. McKnight als Informant (Hall of Justice A) |
 | Betty Murphy als Informant |
 | Jeff Daniel Phillips als Informant |
 | Shane Woodson als Informant |
| Cookie Crawford als Informant #8 |
 | Cassius M. Willis als Uniform Cop |
 | Judith Drake als Florence Douglas |
 | Phoebe Holston als Prison Guard |
 | Marty Lodge als Pinole Foreman |
 | Cooper Thornton als Internal Affairs Agent #1 |
 | Cazimir Milostan als Internal Affairs Agent #2 |
| Charlotte Ferguson als Kathleen Johns' baby |
| Phoebe Ferguson als Kathleen Johns' baby |
| Kacey Malmsten als Kathleen Johns' baby |
| Karly Malmsten als Kathleen Johns' baby |
 | JD Cullum als Director |
 | Stanley B. Herman als Staff Editor |
 | Roy Lee Jones als Distraught African American Male |
 | Michael Rose als Navy Project Leader |
 | James Joseph O'Neil als DOD Project Leader |
 | Rod Damer als FBI Codebreaker |
| John Sarno als Donald Harden |
| Gloria Grant als Bettye Harden |
 | Brett Rickaby als Detective Roy |
| M.F. Bernier als Detective #2 |
| Carter Evans als Newscaster #2 |
 | Bill Seward als TV News Anchor |
| Dave Nemeth als Newscaster #4 |
 | Ted Garcia als Anchorman #1 |
| Greg Wolf als Interviewer #1 |
| Barry LeBrock als Reporter |
 | Ione Skye als Kathleen Johns (uncredited) |
| David Winston Barge als Vallejo Desk Ofiicer (uncredited) |
| Hayati Akbas als Hardware Store Customer (uncredited) |
| Brad Carr als Camera Man (uncredited) |
| Mitchell Fink als Reporter (uncredited) |
| Erica Ford als Traveler (uncredited) |
| Tish Hicks als Informant (uncredited) |
 | Danielle McKee als Prisoner (uncredited) |
| Derris Nile als Office Worker (uncredited) |
| Carmen Plumb als Janie (uncredited) |
| Callie Thompson als Child Witness (uncredited) |
| Bud Davis als Patrolman (uncredited) |
| Ken Narlow als Himself (archive footage) (uncredited) |
| Victor J. Zolfo | Set Decoration |
| Casey Storm | Costume Design |
| David Fincher | Director |
| Ceán Chaffin | Producer |
| Laray Mayfield | Casting |
| Ren Klyce | Sound Designer |
| Ren Klyce | Supervising Sound Editor |
| Richard Hymns | Supervising Sound Editor |
| David Shire | Original Music Composer |
| Harris Savides | Director of Photography |
| Angus Wall | Editor |
| Keith P. Cunningham | Art Direction |
| James Vanderbilt | Screenplay |
| James Vanderbilt | Producer |
| Robert Graysmith | Book |
| Mike Medavoy | Producer |
| Arnold Messer | Producer |
| Brad Fischer | Producer |
| Donald Graham Burt | Production Design |
| Randall Poster | Music Supervisor |
| Daniel M. Stillman | Unit Production Manager |
| Mickey Giacomazzi | Stunt Coordinator |
| Merrick Morton | Still Photographer |
| George Drakoulias | Music Supervisor |
| Amy Schmiederer | Makeup Artist |
| Mary Ellen Woods | First Assistant Director |
| Felicity Bowring | Makeup Department Head |
| Stacy Horn | Costume Supervisor |
| Drew Kunin | Sound mixer |
| Addison Teague | Sound Effects Editor |
| Michael Semanick | Sound Re-Recording Mixer |
| Bryan Lawson | Music Editor |
| Richard Quinn | Dialogue Editor |
| David C. Hughes | Sound Effects Editor |
| David Parker | Sound Re-Recording Mixer |
| John R. Manocchia | Rigging Gaffer |
| Miia Kovero | Hairstylist |
| Malcolm Fife | Dialogue Editor |
| Jonathon Stevens | Music Editor |
| Kelvin R. Trahan | Hair Department Head |
| Trish Almeida | Key Hair Stylist |
| Louis Phillips | Executive Producer |
| Martin Erskine | Music Editor |
| Kristine Kelly | Script Supervisor |
| Sally Sue Beisel | Second Assistant Director |
