平和に他の星と共存していたフリード星だったが、ある日、宇宙征服を目論むベガ星連合軍の、円盤獣による侵略攻撃を受けて滅亡する。王子デュークはフリード星の守護神「グレンダイザー」が組み込まれた宇宙船スペイザーで脱出。地球に落ち延びたところを宇宙科学研究所の所長・宇門源蔵博士に救われ、養子“大介”を名乗る事にした。
一方、デュークの脱出成功を知ったベガ星連合軍の司令・ガンダルは部下・ブラッキー隊長に抹殺と地球侵攻を命令。
かくしてデューク・フリードの、地球を守るための戦いが始まる。
デューク・フリード／宇門大介 （声：富山敬 / 堀内賢雄(スーパーロボット大戦コンプリートボックス) / 山寺宏一(スーパーロボット大戦IMPACT～)）
本作の主人公。設定年齢は20歳。宇門博士に救われ養子となった後、博士の経営する白樺牧場で働いていた。地球にベガ星の魔手が迫っても、フリード星でのつらい過去からか当初は戦うことに後ろ向きだったが、ベガ星のミニフォーに袋だたきにされる兜甲児のTFOを救うため、再びグレンダイザーに搭乗。やがて甲児と交流を重ねる中で、第二の故郷・地球を守るため、グレンダイザーで戦うことを決意する。
異星の王子という設定を表現するため、シリーズ前2作の主人公（甲児・鉄也）に比べ気性の激しさはなりを潜め、優しく穏やかな人柄をしのばせており、甲児・鉄也よりも育ちのよさと大人の落ち着きが強調されたキャラクターだった。ただし、ごく初期においては、戦わねばならないことへの悩みや、異郷での孤独感を表現するため、多少棘のある面も見せている。
なお、デューク・フリードの正体は、作中では宇門博士他、数名にしか明かされていない（甲児には第2話で説明）。「故郷を追われた亡国の王子」という背景から、かつてのペットと戦う（第33話）、幼なじみを失う（第25話、72話）といった、悲劇的なストーリーもあった上、ストーリー終盤において、過去にベガ星連合軍から受けたベガトロン放射能に侵された古傷が悪化し、生命の危険に見舞われるが、71話で親友のモルス（元はベガ星連合軍に征服されたモール星の王子で、ベガ大王に洗脳されて利用されていたが、敵の洗脳が解ける）によってベガトロン放射能を中和するベガトロンマイナス放射能を当ててもらい、全快する。
兜甲児 （声：石丸博也）
ミケーネ帝国との戦いの後、ワトソン研究所に留学し、後にNASAに入所。自ら開発したTFO（後述）を駆って日本に帰国し、宇宙科学研究所に合流する。中盤まではTFO、JFOが撃破された後はダブルスペイザーやドリルスペイザー（いずれも後述）などでデューク・フリードとグレンダイザーをサポートする。マリア登場後はドリルスペイザーのパイロットはマリアに譲り、ダブルスペイザーの専属パイロットとなる。
本作では主役を喰わないようにとの配慮から、自らロボットに搭乗することがない（劇場版では、鉄也の愛機だったグレートマジンガーを操縦するが、これが本作での唯一のロボット搭乗であり、本来の愛機・「マジンガーZ」に至っては搭乗する機会は本編・劇場版を通じて皆無。）、すぐ敵に捕まる、あまつさえ洗脳されて研究所の位置を敵に知らせてしまう（第18話）など三枚目的な役回りが多い。しかし、後述のマリアのエピソードなど、デュークの窮地を救ったこともある。デュークより年下との設定であり、デュークは甲児を「甲児君」と呼ぶのに対して甲児は当初デュークを「大介さん」と呼んでいたが、ストーリー後半では主に「デューク」と呼ぶようになる。また、初期はひかるを異性として追い駆けるような描写もあったがやがて解消され、ストーリー後半では、途中参加のマリアと親しげな関係を見せる。
牧葉ひかる （声：川島千代子）
牧葉団兵衛の娘。設定年齢17歳。父の牧場で働く宇門大介に想いを寄せていたが、大介＝デューク・フリード（宇宙人）と知りショックを受ける（第23話）。しかし、その後も大介への想いは変わらず、第38話ではピンチの大介を助けたい一心で、負傷した甲児に代わりダブルスペイザーで出撃までしている。
後にマリンスペイザー（後述）のパイロットとして、正式にグレンダイザーのサポートチームに仲間入りする。しかし、（少なくとも作中で語られる限りは）大介への想いが実ることはなかった。マジンガー・シリーズのヒロインとしては、やや控えめ、かつ目立たない役回りだったが、そのせいか育ちのよさも感じさせるキャラクターに仕上がっている。戦闘服のデザインとして、ゲッターロボの早乙女ミチルのそれほど露骨な描かれ方ではないものの、胸部に左右の乳頭部分が円く描かれている。
女性ファンからはあまり人気が高くなかった模様で、川島千代子曰く、ひかるはメカに乗らない方が憎まれなかったとしている[2]。
グレース・マリア・フリード （声：吉田理保子 / 吉田美保(スーパーロボット大戦シリーズ)）
第49話から登場。フリード星の王女で、デューク・フリードの妹。設定年齢は14歳（だが、作中バイクに乗るシーンがある）。フリード星脱出時にデュークとはぐれ、従者と二人きりで地球に逃れてきた。グレンダイザーを敵に奪われたとの誤解から、パイロット（デューク）を殺害しようとするが、危ういところで甲児に止められ、兄デュークと再会。以後、ドリルスペイザーのパイロットとして兄をサポートする。超能力も持っているが、それ故に悩む描写も見られる。
ドリルスペイザーの項にもあるように、少々唐突に登場した妹だが、荒木伸吾デザインの、切れ長の目元と長い睫の美少女キャラと、おてんばで愛らしい性格で、男女問わず高い人気を獲得した。それまでも女性パイロットや、『マジンガーZ』の弓さやかに代表される「博士の娘」などはあったものの、「王女」、「カタカナ名前（ミドルネームあり）」、「主人公の肉親（妹）」のヒロインが（準）主役級のメカに乗って戦うという例はなく、その点でも斬新なキャラクターだった。
但し、アニメでの甲児は『Z』本編ではさやかを「さやかさん」と呼んだのに対して、マリアについては「マリアちゃん」と呼んでいることから、マリアを単に妹的存在と見ていた節もある上、アニメ本編や映画版でもさやかとマリアの直接共演・甲児の取り合いといった描写は存在しない。よって、多分に当時の桜多吾作版のイメージによるものが多いかと思われる。実際、スーパーロボット大戦シリーズではさやかと競演するため甲児を取り合っている描写があり、「甲児二股説」は後年におけるこれらゲーム展開の中でのオリジナル的色彩が強いと言える。
ちなみに吉田理保子は「マリアをはじめてみたときは、びっくりしたの。というのは、そのまえにやっていたメグちゃんにあんまり似ているんで、おどろいちゃったのね」と述べている[2]。
宇門源蔵博士 （声：八奈見乗児）
宇宙科学研究所の所長。落ち着いたナイスミドル。フリード星から逃れてきたデュークを助け、養子として大介の名を与える。ベガ星連合軍と戦うデュークを、父として宇宙科学研究所の所長としてサポートした。
牧葉団兵衛 （声：富田耕生）
永井豪作品では欠かせぬ名バイプレイヤー。本作では白樺牧場の牧場主（宇門博士との共同経営）にしてUFOマニアという役回り。キャラデザインの元ネタは『あばしり一家』の悪馬尻駄エ門。美しい娘とは似ても似つかない中年男。
牧葉吾郎 （声：沢田和子）
ひかるの弟で団兵衛の息子。『グレートマジンガー』までに登場したシローと似た役回りである。
荒野番太 （声：緒方賢一）
『グレートマジンガー』まではボスのポジションだった、専らコメディリリーフの役回りとして登場。荒野牧場（白樺牧場の隣り）の息子。メキシコのソンブレロ風の帽子に赤と黄色のツートンカラーのシャツを着用。このいでたちから、甲児からは「四色旗」と揶揄される。浪花節気質の好漢だったが、ドジなキャラクター設定が本作での兜甲児と被るためか、後半は出番が全く無かった。
荒野ハラ （声：津田延代）
番太の母親で肝っ玉母さん。
ボス （声：大竹宏）
じんのおび トップライト テドラル なかよし ナベラル モルグ ベニデュ ムード フォワグ ビアガ 芽キャベツ セーラー ローレライ ビーフ シャッター トリノ むぐらふ ノッポ リップ チェン デコレータ サカユ ききょう キウイ デッド ハイウェイ ブロック シリーズ フィクシ ミレニアム リチェ リスチン かくぐう ラウィ フワン フラグ サーチトゥ ニック スポット レーベル 迷い道 カエサ タピオカ リトライ オブソ ソフトテニ ナンス カシミ プルーン おびひろ
ベガ星連合軍
恐星大王ベガ（声：八奈見乗児）
全宇宙の支配をもくろむベガ星連合軍の総帥にしてベガ星を治める絶対君主。最初は本星からの通信で前線基地スカルムーンに命を出していたが、第52話でベガ星が崩壊した事でスカルムーンに移動、ここを本拠地にして活動するようになる。娘のルビーナを溺愛しており、ルビーナの死には涙を流して号泣していた。また、デューク・フリードの事は邪魔者と見做していたが、ルビーナの死後は激しい憎悪をぶつけるようになる。
ガンダル司令 （声：富田耕生）
地球攻撃軍司令官。ブラッキー（後述）の死後は、攻撃隊長も兼務する。後述するレディガンダルとの、男女二つの顔を持つ。
外見、性格とも典型的な悪役だが、ズリルJr（後述）に父の秘めた想いを伝えるなど、意外な一面も。最終回では寝返った半身・レディガンダルを、自らの死も覚悟の上で粛清。最後までベガ大王への忠節を尽くし、グレンダイザーに特攻をかけて死亡。武人らしい最期を遂げた。
レディガンダル （声：沢田和子）
当初は「ガンダルの顔が左右に割れ、小人サイズの女が顔を出す」という形で姿を見せていたが、ガンダルが大火傷を負い整形手術を受けた第28話以降は「完全に顔が女のそれに変わり、それとともに声まで変わる」という描写がなされるようになった。体を共有しているが、本体のガンダルとはそりが合わなかった。
最終回で自らベガ獣・グラグラを駆ってグレンダイザーと対決するが、敗退。形勢不利と見るや、保身のためベガ大王を売り渡そうとするが、ガンダルに粛清される。
ブラッキー隊長（声：緒方賢一）
第1話から第27話まで登場。地球攻撃部隊スカルムーン師団の攻撃隊長を務める。作戦は力押しばかりで、大した戦果は上げられなかった。第27話でマザーバーンを沈められ戦死する。
科学長官ズリル （声：田中崇）
戦死したブラッキーに代わり、第28話から登場。左目の眼帯にコンピュータが内蔵されており、時折アドバイスをズリルに与えていた（機械だけあって、レディガンダルのように本体と対立するようなことはなかった）。
「科学長官」の肩書きにふさわしい、ずるがしこい頭脳派。これも悪役のお約束で、武闘派のガンダルとはいまいちウマが合わない（逆にレディとは相性が良かった）。しかし、始終反目しているわけではなく、共同戦線を張ることも少なくなかった。また全くの冷血漢でもなく、息子を想いながらも素直に愛情を表せない、不器用で優しい父の一面も持つ。
第67話で切り札の海底基地を破壊されたが、グレンダイザーを倒すまではと、スカルムーンへの帰還を自ら拒否。意外な意地を見せたものの、第72話でついに力尽き、兜甲児に射殺された。
ゴーマン大尉 （声：野田圭一）
第7話に登場した、ベガ大王直属親衛隊の士官。名前の通り傲慢な性格だが、それに見合う実力を兼ね備えている。円盤獣ギンギンを駆りデュークを追い詰めるが、ブラッキーの裏切りで形勢を逆転され、スペースサンダーを受け爆死する。出撃前に酒(おそらくワイン)を飲んでいたりと、酒好きの模様。
ナイーダ （声：杉山佳寿子）
第25話に登場。デュークの幼なじみでフリード星・バロン家の娘。ベガ大王にコントロール装置を埋め込まれてデューク抹殺のために地球へ送り込まれる。フリード星人の脳が円盤獣に使われていること、弟のシリウスの脳も円盤獣ギルギルに使われたことなどからデュークを裏切り者となじった。装置は除去されたが、自身は贖罪のために、出撃してきたベガ星連合軍の部隊もろとも自爆して果てる。
ダントス防衛長官（声：緒方賢一）
第52～53話に登場した防衛長官にしてベガ大王の側近。ベガ星滅亡の際一般市民を見捨ててベガ大王共々巨大母艦キング・オブ・ベガで脱出、スカルムーンへ来訪した。円盤獣より強力なベガ獣を開発、その第1号であるキングゴリを操りグレンダイザーを苦しめるが、最後はガンダルとズリルの謀略で抹殺された。
少年コマンド隊アインス （声：神谷明）
第59話に登場。ベガ星親衛隊の子息で構成された少年コマンド隊のメンバーの一人で、他のメンバーはそれぞれツヴァイ・トロワ・ビーチャ・スインコという名前。ベガ星の歪んだ軍事教育によりデュークの事を地球人を洗脳支配している悪者と思い込まされており、ダギル隊長の指揮の下国防軍基地を占拠しデュークを誘い出す。デュークの懸命の説得にも耳を貸さずベガ獣ダキダキに乗り込み、その頭部ユニットを操縦して体当たりをかけるが、それをかわしつつ戦うグレンダイザーとの戦闘の中でダキダキ本体の誤射で撃墜され、あえない最期を遂げる。
コマンダーキリカ （声：杉山佳寿子）
第63話に登場したベガ星の若き女性科学者で、亡き兄の遺志を継いで冷凍光線の研究に当たっていた。完成した冷凍光線でベガ星人の移民先を開拓し地球人との争いを回避したいというのが彼女の願いだったが、ベガ大王の命で完成した装置はデュークを倒すための兵器として使われる事になる。マリアの活躍もあって任務に失敗し、捕虜として研究所に収容された彼女はそこで出会った大介に兄の面影を見出し惹かれていくが、やがて彼こそがデュークその人と知り愕然とする。そして最後はベガ獣ズメズメとの戦闘の中で乗船ごと氷漬けにされ墜落、その命を散らす。そして異国地球の土となった彼女の墓には「地球の友キリカ この地に眠る」と記されている。
コマンダーケイン （声：古谷徹）
第68話に登場。北海道への基地建設計画に参加したコマンダーで、元々はマリアの友達のフリード星人だった。ベガ星軍に捕らえられ兵士として育成された彼はダイザーチームとの戦闘中マリアと相撃ちの形で共に不時着、奇しくも再会を果たす。だが彼は友達だったマリアを撃つ事はできず、またベガの手先に成り下がった自らを恥じて命を絶った。
ズリルJr （声：田中亮一）
第69話に登場したズリルの息子。地球に潜伏する父の役に立ちたいとの思いからベガ獣ガイガイを使った補給の任務に志願し、無事成功させた。そこで息子の身を案じたズリルに帰るよう命じられた事で一度は父を疑うが、ガンダルから送らずじまいになっていた父の手紙を見せられた事で自分への深い愛情を知る。そして最後にはダイザーチームとの戦闘で窮地に陥ったズリルを安全に脱出させるため、自ら囮となってグレンダイザーに挑み壮絶に散っていく。
ルビーナ （声：小原乃梨子 / 鶴ひろみ(スーパーロボット大戦シリーズ)）
本作のパイロット版である「宇宙円盤大戦争」のリメイク的な内容である第72話に登場。ベガ大王の娘でルビー星を治めていた。かつて政略結婚のためフリード王家に送り込まれた事があり、その時以来デュークを深く愛していて、デュークの所在を知り来訪した。フリード星の環境が回復に向かっている事を知っていた彼女はそこでデュークと共に暮らしたいと願うが、その思いをズリルの作戦に利用され窮地に陥る。そして最後はデュークを守るため自ら盾となってその命を散らすが、今際の際にベガ星軍の基地が月の裏側にある事を伝えた。