शृंखला के पात्रों में शल्य प्रशिक्षुओं के समूह के साथ, विभिन्न रेसिडेंट फिजीशियन शामिल हैं जो प्रशिक्षुओं के व्यावसायिक और निजी जीवन में मार्गदर्शकों की भूमिका निभाते हैं। शो के निर्माताओं ने "कलर ब्लाइंड कास्टिंग" तकनीक का प्रयोग किया जिसके फलस्वरूप विविध नस्लों के पात्र चुने गये। निर्माता "शोंडा राइम्स" के विविधता के दृष्टिकोण को ध्यान में रखते हुए, "ग्रे'ज़ एनाटॉमी" की सभी भूमिकाओं के लिए सभी कलाकार, पात्र की जाति को पूर्व निर्धारित किये बिना चुने गये हैं। प्रशिक्षुओं के रूप में पेश किये गये पहले पांच पात्र हैं मेरेडिथ ग्रे (एलन पोम्पियो), अलेक्स कारेव ([[जस्टिन चैम्बर्स]]), जोर्ज ओ'मैली (टी.आर. नाईट), इज़ी स्टीवन (कैथरीन हेल) और क्रिस्टीना यंग (सांड्रा ओह). श्रृंखला की शुरुआत उन्होनें सिएटल ग्रेस अस्पताल में प्रशिक्षु के रूप में की, तथा सर्जिकल प्रोग्राम में पहले साल के बाद वहीं रहने लगे. शुरुआत में उन्हें मिरांडा बैली (चंद्रा विल्सन) द्वारा प्रशिक्षित किया गया, एक जनरल सर्जन, जो अस्पताल की चीफ रेसिडेंट बन जाती है तथा बाद में अटेंडिंग जनरल सर्जन बन जाती है। सर्जिकल कायक्रमों को सर्जरी के चीफ रिचर्ड वेबर (जेम्स पिकेन्स, जूनियर) द्वारा संचालित किया जाता है, जिनका मेरेडिथ के साथ पूर्व में निजी संबंध था, उसकी मां के साथ प्रेम संबंध के रूप में, जब मेरेडिथ एक बच्ची थी। वेबर के कर्मचारियों में अटेंडिंग फिजीशियन डेरेक शेफर्ड (पैट्रिक डेम्पसी) और प्रेस्टन बर्क शामिल हैं, जो कि क्रमशः जो न्यूरोसर्जरी और कार्डियोथोरेसिक सर्जरी के विशेषज्ञ हैं। डेरेक को मेरेडिथ के प्यार के रूप में पेश किया गया है, जबकि प्रेस्टन का क्रिस्टीना के साथ रिश्ता शुरू होता है।

शो के दूसरे सीज़न की शुरुआत में OB/GYN तथा प्रारंभिक सर्जन एडिसन मांटगोमेरी (केट वॉल्श), प्लास्टिक सर्जन मार्क स्लोन (एरिक डेन), आर्थोपेडिक सर्जन कैली टोरेस (सारा रामिरेज़ को पेश किया गया है। एडिसन डेरेक की पत्नी है जो सिएटल में उसके साथ सुलह के लिए आती है। मार्क डेरेक का पुराना सबसे अच्छा दोस्त है, जिसका एडिसन के साथ प्रेम संबंध उसके विवाह को तोड़ता है। कैली को जॉर्ज की प्रेमिका के रूप में दिखाया गया है, जिससे वह बाद में शादी करती है किन्तु अंततः उनका तलाक हो जाता है।

स्पिन ऑफ़ "प्राइवेट प्रेक्टिस" में अभिनेता के रूप में केट वाल्श के जाने के कारण, तीसरे सीज़न के बाद एडिसन शो से अलग हो गयी, किन्तु "ग्रे'ज़ एनाटॉमी" में यदा कदा अतिथि भूमिकाओं में दिखती रही। तीसरे सीज़न की अंतिम कड़ी में मेरेडिथ की सौतेली बहन, प्रशिक्षु लेक्सी ग्रे (शाइलर ली) को शामिल किया गया। वह जॉर्ज की पक्की दोस्त बन जाती है। बाद में, पांचवें सीज़न में, कुछ अप्रत्याशित होता है और मार्क स्लोन उसके साथ रिश्ता कायम करता है। तीसरे सीज़न के समापन में क्रिस्टीना को छोड़ने के बाद प्रेस्टन बर्क शो से बाहर हो जाता है। चौथे सीज़न में नियमित पात्र के रूप में शामिल होने वाली कार्डियोथोरेसिक सर्जन एरिका हान (ब्रुक स्मिथ) थी, जो पूर्व में सीज़न 2 और 3 में भी दिखाई गयी थी, जिनका कैली के साथ रोमांटिक रिश्ता शुरू होता है।

पांचवें सीज़न के दौरान, सिएटल ग्रेस में कैली तथा कई अन्य डॉक्टरों के साथ बढ़ते असंतोष के कारण डॉ॰ एरिका हान को शो से निकल दिया जाता है। दो नए पात्र शामिल किये जाते हैं : ट्रॉमा सर्जन ओवेन हंट (केविन मेककिड) और बाल चिकित्सा सर्जन एरिज़ोना रॉबिंस (जेसिका काप्शाव)। ओवेन क्रिस्टीना का प्रेमी बन जाता है जबकि एरिज़ोना कैली की प्रेमिका बन जाती है। पांचवें सीज़न में डॉ॰ सैडी हैरिस (मेलिसा जॉर्ज) को भी पुनः पेश किया जाता है जिनकी मेरेडिथ के साथ बरसों पहले दोस्ती थी। वह लेक्सी के प्रति आकर्षित होती है तथा कैली के साथ एक संभव रिश्ता बनाती है। माना जा रहा था कि सैडी शो में नियमित रूप से दिखाई देगी, लेकिन उनके अनुबंध का नवीकरण नहीं किया गया और अंततः शो से उनका चरित्र खत्म कर दिया गया।

सीज़न छह में कई परिवर्तन हुए : डॉ॰ जॉर्ज ओ' मैली की दुखद मौत के बाद शो से उनका चरित्र समाप्त कर दिया गया तथा अटेंडिंग डॉ॰ टेडी आल्टमैन (किम रावेर), ओवेन के बाद कार्डियोथोरेसिक सर्जन के रूप में पात्रों में शामिल होते हैं, जिससे पटकथा लेखकों को ओवेन, टेडी और क्रिस्टीना के बीच त्रिकोणीय प्यार को दिखने का मौका मिलता है। सीज़न में कुछ समय बाद, "सिएटल ग्रेस" में अपनी बर्खास्तगी के बाद तथा डॉ॰ कारेव के साथ अपने संबंध टूटने के बाद, डॉ॰ इज्जी स्टीवन्स शो से बाहर हो जाती हैं। इसके अतिरिक्त "मर्सी वेस्ट" तथा सिएटल ग्रेस अस्पताल के विलय से बनी कहानियों पर कई कलाकारों को दोबारा दिखाया गया है। सभी रेसिडेंट डॉ॰ रीड एडमसन (नोरा ज़ेहेटनर), डॉ॰ जैक्सन एवरी (जेसी विलियम्स), डॉ॰ एप्रिल केपनर (सारा ड्रयू) और डॉ॰ चार्ल्स पर्सी (रॉबर्ट बेकर) मर्सी वेस्ट से सिएटल ग्रेस अस्पताल में स्थानांतरित हो जाते हैं, जिससे उनके तथा सिएटल ग्रेस के डाक्टरों के बीच टकराव पैदा होता है। एनीस्थीसियोलोजिस्ट डॉ॰ बेन वॉरेन (जेसन जॉर्ज) को भी बेली के प्रेमी के रूप में दिखाया जाता है।

समूहन
सीज़न दो: 2005-2006
पात्र और चरित्र
सीज़न तीन: 2006-2007