Главные роли в сериале Детство Шелдона исполнили:
Иэн Армитидж играет роль Шелдона Купера, чудо-ребенка, проявляющего выдающиеся способности в математике, физике и других точных науках. Несмотря на его обширные знания в академической сфере, Шелдону не хватает навыков в общении с людьми, а его высокий интеллект создает у него чувство превосходства над окружающими, что делает его неприятным и грубым, не замечая, как это влияет на других, включая его семью.
Джим Парсонс озвучивает взрослого Шелдона Купера, который комментирует истории из своего детства.
Зои Перри играет роль Мэри Купер, мамы Шелдона, Мисси и Джорджи. Она излишне заботится о своих детях и очень беспокоится за них из-за своего трудного прошлого. Мэри — религиозная южная баптистка, работающая в местной церкви, иногда выражает своё недовольство атеизмом Шелдона. Тем не менее, она очень любит своего младшего сына и стремится защищать его сколь только возможно.
Ланс Барбер играет роль Джорджа Купера, отца Шелдона, Мисси и Джорджи. Джордж — ветеран вьетнамской войны и главный тренер футбольной команды в школе Медфорда. В отличие от Шелдона, у Джорджа нет такого высокого интеллекта, что иногда вызывает сомнения у окружающих, особенно у Конни, в его родстве с Шелдоном. Джордж часто конфликтует со своими детьми, особенно с Шелдоном, но он старается быть заботливым и ответственным отцом.
Монтана Джордан играет роль Джорджи Купера, старшего брата Шелдона и Мисси. Джорджи чувствует обиду от того, что его родители, особенно мать, уделяют больше внимания Шелдону. Он неуспевает в учёбе, и из-за этого его издеваются другие члены семьи, особенно Шелдон и Конни. Джорджи не очень близок с Шелдоном из-за усталости от постоянных негативных сравнений с младшим братом.
Реган Реворд играет роль Мелиссы Купер, младшей сестры Джорджи и младшей сестры-близнеца Шелдона. Вместе с Джорджи они любят подшучивать над Шелдоном. У Мисси нет такого уровня интеллекта, как у Шелдона, но она обладает острым умом. Иногда у нее возникают конфликты с Шелдоном, но она считает его надежным опорным пунктом и признается, что без него не чувствует себя полноценным. Она также испытывает любовь к своему брату, хотя постоянно это отрицает.