少女希達被政府的特務穆斯卡綁架、帶到飛行船上，空中海賊「朵拉一族」為了尋找希達持有的護身符，朝飛船發起攻擊， 希達因此從飛行船上摔下，護身符的神秘力量讓她緩緩地降落在一個以礦業為主的小鎮。 技工學徒巴魯發現她後，將她帶回家照顧。巴魯給希達看了父親拍攝的照片，照片顯示世界上有個神祕的天空之城，名為「拉普達」。後 來兩人被朵拉一族以及穆斯卡手下的士兵追捕，掉進廢棄的礦井中，遇見住在那裏的波姆爺爺，波姆表示希達的護身符是飛行石製成的，這是能讓拉普達以及天空之城能飛在天上的材料。 離開礦井後，希達向巴魯表示自己的全名，之後他們被穆斯卡捉住、囚入碉堡的牢房。穆斯卡向希達展示了一具不能動的機器人， 並表示自己知道希達的全名，指出這是拉普達王室的名字。穆斯卡以巴魯的生命為籌碼，逼希達與自己合作，希達為了巴魯的安危只能同意。穆斯卡給了巴魯幾個錢，便把他驅逐出去。 失落的巴魯回到自家，發現家已被朵拉一族佔領。朵拉一族在獲得情報後準備出擊尋找飛行石，而巴魯為了救希達，和他們暫時合作。 被囚禁的希達感到十分悲痛，便唸了祖傳的止痛咒語，意外啟動了護身符和機器人，機器人將碉堡摧毀，之後被軍方摧毀。 巴魯趕到碉堡並救出希達，兩人在朵拉一族的飛行船「虎蛾號」上工作，虎蛾號跟隨著軍方的飛船歌利亞號前進，因為穆斯卡已經取得了希達的護身符， 以此定位出拉達的位置，並駕駛歌利亞朝拉普達而去。當晚，希達和巴魯一起執行監視任務，希達提到自己從小就被祖母傳授許多咒語，其也包括毀滅咒。 在一連串的風暴後，烏雲終於散去，巴魯認出了和父親的照片上一樣的雲彩，並向朵拉表示那便是拉普達。就在虎蛾號準備降落時， 歌利亞號突然出現並開火，讓巴魯和希達從飛船上落下，來到已經荒廢、雜草叢生的拉普達。穆斯卡旗下的士兵將朵拉一族拘捕後， 肆意掠奪拉普達的金銀財寶，穆斯卡挾持希達進入城市內部，獲得拉普達所藏的知識及武裝設備，他還透露自己也是拉普達的後裔， 而且同為王室成員。巴魯四處躲避軍隊的追捕，解救了朵拉一族並讓他們逃離拉普達。穆斯卡啟動了武裝設備和機器人部隊， 試圖以此征服世界，希達趁隙脫逃並奪回護身符，她逃到洞穴中，並將護身符從洞口遞給巴魯。 穆斯卡割斷了希達的長髮，並以她的性命威脅巴魯交出護身符，巴魯請穆斯卡給他們三分鐘時間交談，接著希達暗中教會巴魯毀滅咒， 當他們同聲唸出「巴魯斯」時，拉普達開始崩潰，發出的強光也讓穆斯卡的眼睛受傷並因此從天上掉了下去。而倖存的巴魯和希達與朵拉一族團聚， 在他們道別時，巴魯表示自己會遵守諾言，與希達開始新的生活。 逐漸崩毀的拉普達最終只留下一棵大樹，以及樹上殘留的少許建築物。深埋在樹根裡的巨大飛行石讓它緩緩漂浮在空中。
本片男主角，是一位住在有礦坑的小型城鎮附近的少年，於礦山中擔任實習的機械工人一職。
父母雙亡，父親先前是飛行冒險家，在一次使用飛行船進行飛行冒險時，不慎被低氣壓捲入，但卻成功突入到內部並意外發現到天空之城拉普達且成功拍攝到一幅照片，因而堅稱天空之城拉普達確實存在，但當時眾人對他的說法存疑，導致死前都一直被當成騙子。
巴魯個人深信父親對於拉普達的所言不假並決心承繼父親的遺志，願望是自己製造一架小型飛機來尋找傳說中的天空之城拉普達，作品中有一幕有帶到這一架已經完成一部分的航空器。
本身個性直接且豪爽，因從事礦工的因素而身強體壯；且具有超出一般同年齡小孩的運動細胞，亦有著優秀的眼力。每天早上起床後的例行公事則為放出自家樓頂飼養的鴿子及吹奏小號。與希達相識，並親眼看到飛行石的力量。然後與希達跟朵拉一族前往拉普達島。
在本作品的最後，告別了朵拉一族，和希達一同前往希達的北方故鄉肯德亞山谷。
本片女主角，全名為「羅希達·多耶魯·烏魯·拉普達」（リュシータ・トゥエル・ウル・ラピュタ）。是居住在肯德亞山谷中的一名少女孤兒，真實身份為天空之城拉普達的王室正統後裔，希達的秘密名字裡「烏魯」是拉普達語指的是「王」，「多耶魯」是「真」。 原本在故鄉肯德亞山谷中放牛，但因被政府特務頭領穆斯卡以調查天空之城的理由，而被帶往政府軍總部意圖協助進行調查。但在搭乘飛行客船的途中遇上了想要搶奪飛行石的空賊朵拉一族，在爭奪中希達為了逃避空賊及特務的追捕而意外從飛行客船上墜落地面，之後因身上佩戴的飛行石在緊急時發動空浮魔力，所以平安地降落到地上並因此與巴魯相識。後來也跟巴魯遭到空賊追趕，和巴魯被政府軍追捕然後被抓，為了不讓巴魯牽連將巴魯放走，最後被巴魯和朵拉一族所救然後前往拉普達。 有著會為他人著想的性格，擅長料理與家事且視力與巴魯一樣良好、以及知曉其家族代代相傳與飛行石相關的古老咒語。 最後在拉普達的王座室內和巴魯一同念出了毀滅咒語破壞拉普達，成功脫出後並和巴魯一同前往故鄉生活。
空中海賊「朵拉一族」（ドーラ一家）的首領及空賊飛行船「虎蛾號」的船長，年紀約在50歲上下，與三名兒子（都叫她"媽媽"）及其它手下過著打劫其他飛行船的生活。 雖已上了年齡但仍有旺盛的行動力及清晰果決的判斷能力，並有著破解軍方無線電密碼及擅用各種小道具的能力。 原先打劫的目的只是想單純奪取飛行石，但在一連串巴魯和希達的事件之後再加上政府軍的出動使其確信拉普達的真實存在並前往之。 作品中的個性雖是為了目的不擇手段的惡徒，但內心會在意著巴魯與希達的安危，這是她的正面性格。 在虎蛾號上個人專屬的房間牆壁上則掛著年輕時的肖像畫。其死去的丈夫則是一位天才發明家，從朵拉一族使用的虎蛾號到小型的鼓翼機皆出自於他的發明。 於《紅豬》中；再度出場。
朵拉的長男。年紀為30歲，有著豐厚鬍子、無與倫比力氣和健美肉體的人，能將胸部的肌肉鼓起撐開到衣服的扣子彈出去，喜歡的食物是布丁。 喜歡希達，拿著花想送她。在希達和巴魯登上飛行母艦後協助希達清潔廚房地板的工作。
朵拉的次男。年紀為25歲，留有一小撮的鬍子，愛吃的食物是肉餡餅。 喜歡希達，在對方登上飛行母艦後曾直接看著希達並說出"好美"這個詞，也到廚房協助希達的工作：洗碗收拾碗盤。
朵拉的三男，僅20歲的虎蛾號成員，臉頰上長有雀斑，時常用帽子把眼睛遮起來。 在三兄弟中是唯一沒有鬍子。什麼食物都喜歡吃。最後去廚房的人，也想來幫忙希達。 朵拉三兄弟其各自的名字的由來都是歷代的法國國王之稱號。
為朵拉手下中除了3名親生兒子外的另外5位成員，5位的名字皆依序以日語讀音中「カ、キ、ク、ケ、コ」來稱呼，並分別來自於葡萄牙（右臉有刀疤角色）、埃及（帶眼罩角色）、日本（棕色鬍子角色）、中國（墨色鬍子角色）及塞內加爾（頭罩遮口角色）。
朵拉的虎蛾號上專屬維修技師，與朵拉為舊識。
本片終極敵人，全名為「羅穆斯卡·保羅·烏魯·拉普達」（ロムスカ・パロ・ウル・ラピュタ），是天空之城拉普達王族另一分支的後裔。 為政府的情報機關之特務頭領，軍階是上校。 對天空之城拉普達內部的金銀財寶沒有興趣，真正的企圖和野心是奪取天空之城的科技後以其軍事力量支配整個世界，手槍射擊的技術相當出色。 隨身攜帶一本家族流傳下來關於拉普達相關資料和文字翻譯的小手冊，率領著數名黑眼鏡部下至肯德亞山谷帶走同為天空之城王族後裔的希達、以獲取對方身上的飛行石。 在到達拉普達後根據搶到的飛行石和家族祕密手冊的翻譯幫助下成功的掌控拉普達的中樞核心系統，最後自己則被巴魯和希達以毀滅咒語解放中樞飛行石時所產生的強光導致短暫失明，故事最後沒有明確交待他是否死亡，但有日本網友在觀影時發現，最後天空之城解體物件掉落海中時的畫面中，出現不明物體，經其多次觀看重播和放大解析後，發現是一個穿著與穆斯卡相同顏色衣服的人，故推定穆斯卡最後同穆羅將軍一樣落海。[4] 在穆斯卡的角色設計草圖中，有將他定位為宮崎駿1978年執導的電視動畫《未來少年柯南》中反派角色「雷普卡」的祖先。
政府軍隊中的軍官，階級為將軍，有著一副指揮官的標準肥胖身材，個性很衝且不考慮後果的人。 因過去天上掉下了不屬於地球科技的拉普達機器人兵在某農民的田裡後，使得原先為傳說的拉普達成為可能存在的地方，故政府相關單位成立了「拉普達計畫」，本人即為該計畫的指揮官。 指揮著飛行戰艦歌利亞號與穆斯卡上校一起前往拉普達，但是目標只著重在拉普達的金銀財寶，對於穆斯卡上校的真正野心完全不知情。 最後在拉普達裡因誤入穆斯卡的圈套與他的大批部下從天空之城最下方的接見室摔落海中。
穆斯卡最忠實的部屬。一開始飛行船出現三人，在要塞要逮捕希達的時候四人登場，到了拉普達後雖有兩位跟隨，以飛行石開啟隱藏通道進入中樞，卻被穆斯卡留在中樞內部，留下的兩位設法以攀爬方式爬上巨石回到原來的地方。穆斯卡進入拉普達黑色半球狀的內部，啟動了機關，中樞巨石被置換了方向，兩位尖叫並遭巨石移動甩開。
巴魯的友人，為一名在廢棄礦坑裡獨自生活的老者，知曉著礦石知識與飛行石相關的傳說。 角色模特兒為宮崎駿的工作同事森康二及近藤喜文。
巴魯在礦坑工作的老闆，有著一身強健的體魄，與朵拉一族中的長男夏爾有過一次經典的打架戲碼。
達非的妻子。與達非一同協助巴魯與希達逃離朵拉一族的追緝。
達非家中的小女兒。
朵拉海盜團一家作為根據地的空中飛行母船，開發者為空中海盜團首領朵拉的亡夫。 故事中為了追擊已先行出發前往天空之城拉普達的政府軍飛行戰艦歌利亞號，在希達的方位記憶幫助下利用順風成功的追上。最後則遭歌利亞號的開火攻擊而嚴重毀損墜毀在天空之城的下半部，於天空之城解體崩壞的同時一併摔落海中。 船體上共計有六個推進用螺旋槳（左右機翼末端各1、船體中央後端下方共4隻），機翼上的連帶螺旋槳可藉由手動的方式進行水平和接近垂直的角度調整。[8] 機上前端為駕駛艙及空中走道，本體備有朵拉一行人的起居室外船身下端則為小型飛行器鼓翼機的收納庫。[8]上方的第二個瞭望台則可以脫離變成滑翔機模式。[9] 船內通信以使用傳聲筒為主，使用滑翔機瞭望時則改用用艦內電話機。 因船身未載裝任何對空武器，碰上敵手追擊時以快速逃離為主。
朵拉海盜團一家出動進行搶劫時所使用的空中移動機器，此飛行器一樣同由朵拉的亡夫發明。 外型為具有昆蟲模樣飛翼的飛行器，採用電流驅動以人工筋肉為原料所製成的四片對稱薄膜飛行翼來進行全方位的空中運動，可進行上升、下降等各種迴旋動作。 機體的下方裝置有兩具小型噴射引擎，可於飛行翼無任何運轉的情況下進行噴射加速，並搭載煙霧施放功能可進行視野干擾，在使用噴射引擎的情況下最高可以維持6分鐘的無聲音飛行狀態。[10] 因進行飛行時駕駛員為直接暴露在機體外，為避免飛行中駕駛員遭到強大風力吹落而在控制台備有腰帶扣環。 此為宮崎駿在製作《天空之城》時的前6年便已構思過的虛構飛行器，因先前未能找到適合登場的動畫作品而無採用的機會。 機器的在作品的原名「フラップター」則為宮崎駿改自「撲翼機」（オーニソプター）一詞。
為政府軍隊開發的巨大飛行戰艦，名字來自舊約聖經中的非利士人巨人歌利亞。 是穆羅將軍利用軍用無線電暗號向軍方總部請求來的大型兵器，亦為穆斯卡和穆羅將軍用來搜索拉普達的工具。 是本作中螺旋槳數量最多的飛行器，數量共計有24個，艦艏左右兩側延伸出去的觸角型構造上各2具，艦體中央部分上端左右各6具，後端中下方左右各2具，艦體最上方左右共2具大型。同時可搭載3架小型飛行艇。 艦身上搭配眾多對地艦炮對空機槍，[5]但劇情最後不敵拉普達的機器人兵而被擊沉爆炸墜入海中。
天空之城拉普達王國所開發和使用的自律式人工智慧兵器，作品設定身高3.44米，體重為238公斤。[12]頭部共裝備大小不同的兩管光束砲。全身構成之材質為陶瓷黏土裝甲，可抵抗手槍等一般兵器的打擊。 在其胸部的兩側裝置有噴射推進裝置，兩隻手臂的後端尖尖延伸處可以伸出類似人工筋肉的薄膜來作為飛行時的翅膀，並可將身軀轉化為如圓球狀的收納待機型態。 除有以戰鬥為目的的機器人，拉普達裡另有以看護、園丁等不同工作任務而製造的機器人，戰鬥用與非戰鬥用機器人在手臂外觀上則會有不同模樣。 此原為宮崎駿在擔任1980年《魯邦三世》電視版第二期的最後一集動畫劇本中的機器人角色，因受到宮崎駿的喜愛而再度採用到《天空之城》中。
本作中所有人的最終目的地，是古代拉普達人利用當時最先進科技的飛行石作為核心建造的大型空浮都市。雖於700年前拉普達人和王室全部撤離下降至地面，該城市仍持續受到飛行石的動力影響而飄浮在空中，而現今頂端溫室中心的巨大樹木已成長至將根部蔓延進下層的核心與底部。 拉普達人為了避免有任何人再試圖接近該都市而召喚出超大型低氣壓「龍之巢」（竜の巣）來保護該都市，[15]而巴魯的父親是少數穿越龍之巢親眼目睹拉普達後還能平安回到地面的人。 希達所持有的飛行石為前往拉普達的鑰匙，在咒語啟動的情況下飛行石就能顯示拉普達的方位，政府軍的飛行戰艦即是靠著飛行石導引成功把戰艦開進龍之巢中，而龍之巢低氣壓保護罩也在飛行石持有者登陸拉普達後遭到解除，使拉普達得以重新出現於空中。 外觀為多層次圓形架構，最上層為溫室花園和居住城市區以及天台，中間層為王宮部和城市街道及存有寶藏的區域，並藏有收納相當數量的機器人兵。[16]深層內部中樞是只有拉普達王家成員才得以進入的聖城，具備著可操控拉普達的石板。[15] 最下層為拉普達皇室人員才能進入的半球體，球體外觀有可引發「拉普達雷電」（ラピュタの雷）的七座黑色石柱。拉普達雷電則被穆斯卡推斷為曾毀滅過索多瑪與蛾摩拉的天火及印度史詩中的天帝因陀羅之箭。[15]而拉普達解體後，實質上也只是解體了下層半球體及部份堡壘，仍保留了上層溫室花園及地面，但主體解體後重量變輕，因而憑藉飛行石持續直升上空。
為古代拉普達人以高科技的技術所萃取出、可發動空浮的物質，拉普達人並此石的技術為核心建造出可漂浮空中的拉普達都市。此石則成拉普達的鎖匙，並可用作操控拉普達。 希達藏匿於壁爐縫隙的祖傳飛行石則描繪著金色的拉普達王家紋章，並被先前在世的長輩要求只有結婚時才可以拿出來短暫配戴。 飛行石的點子來自於宮崎駿小時翻閱由福島鐵次繪製的作品《沙漠魔王》（沙漠の魔王）中出現的飛行寶石。
在1984年宮崎駿推出的動畫《風之谷》受到熱烈迴響後，當時宮崎駿與高畑勳及鈴木敏夫三人商量打算將《風之谷》賺來的資金；用在高畑勳計畫籌備拍攝的紀錄片《柳川堀割物語》上。之後因《柳川堀割物語》在開始拍攝時便就出現資金不足的狀況，鈴木敏夫為了解決費用問題，便請宮崎駿再拍攝一部動畫電影。 因先前《風之谷》的成功，德間書店一方的人員曾表示希望能推出《風之谷》的續集，但此提議未得到宮崎駿的青睞。[21]而宮崎駿則敲定下部發表的作品為由個人原創劇情的動畫──《天空之城》，並定位於適合較廣泛年齡層欣賞的愉快冒險電影，且引用英國作家喬納森·斯威夫特1726年的小說《格列佛遊記》中的飛島國空中城堡拉普達（Laputa）為舞台；以及先前原本打算改編美國漫畫家威瑟·麥凱的《小尼莫》中有著搭乘飛行船的海盜的情節於新作裡。 宮崎駿因將《天空之城》設定以虛構的英國社會作為背景[24]，因在製作前前往英國威爾斯一帶勘景，當地廢棄的採礦城鎮以及有著一望無際天空的草原景色皆對電影場景設定有著影響。當時因宮崎駿造訪威爾斯前當地曾發生礦工罷工事件，後續在他回到日本拍攝《天空之城》時，將他在威爾斯的聽聞的罷工事件經驗融合在電影中：「我剛好在礦工罷工後抵達威爾斯，我欽佩他們對於工作與社群的聯合抵抗方式，我像要將這種社會的力量反映在我的電影中。」後續2005年宮崎駿在《衛報》的採訪上表示：「我欽佩這些人，我欽佩他們為了挽救生活而戰鬥的方式，就像日本的煤礦工所做的。許多我這個世代的人將這些礦工視為種象徵。」
