《实习医生格蕾》第二十季延续了该剧一贯的高质量演员阵容，这一季的主要演员包括艾伦·蓬佩奥（EllenPompeo）饰演梅雷迪斯·格雷（MeredithGrey），她作为剧中的核心角色，继续引领着剧情的发展。此外，帕特里克·德姆西（PatrickDempsey）在闪回或特别场景中的出现也为这一季增添了不少话题性。其他常驻演员还包括钱德拉·威尔森（ChandraWilson）饰演米兰达·贝利（MirandaBailey），詹姆斯·皮肯斯（JamesPickensJr.）饰演理查德·韦伯（RichardWebber），以及凯文·麦克基德（KevinMcKidd）饰演欧文·亨特（OwenHunt）。

除了这些资深演员外，第二十季还引入了一些新面孔和回归角色。例如，卡特琳娜·斯柯松（CaterinaScorsone）继续饰演阿米莉亚·谢泼德（AmeliaShepherd），而凯莉·麦克里（KellyMcCreary）饰演玛吉·皮尔斯（MaggiePierce）的故事线依然牵动人心。同时，该季还加入了如杰西·威廉姆斯（JesseWilliams）等演员的精彩表演，他在本季中作为杰克逊·艾弗里（JacksonAvery）的角色登场，为剧情注入了新的冲突和情感张力。此外，剧集也汇集了像莎拉·德鲁（SarahDrew）这样的资深配角，他们的演技为剧集增添了深度。

值得注意的是，尽管艾伦·蓬佩奥在第二十季中的戏份有所减少，但她依然是该剧的主心骨之一。其他演员如金·雷弗（KimRaver）饰演的泰迪·奥特曼（TeddyAltman）和克里斯蒂安·德拉·弗恩特（ChristiandelaFuente）饰演的乔治·奥马利（GeorgeO'Malley）的回归，也让老观众倍感亲切。总体来说，第二十季的演员阵容平衡了资深演员的稳定性与新生力量的活力，为观众呈现了一个多元且富有层次感的医院世界。