声 - 戸谷菊之介（幼少期 - 井上麻里奈）
演 - 土屋直武（幼少期 - 岩田陽葵）
本作の主人公。自称16歳。「チェンソーの悪魔」であるポチタとともに非正規のデビルハンターとして働く少年。死別した父親が遺した借金の返済に追われる日々を送っていたが、あるとき「ゾンビの悪魔」と契約したヤクザたちに殺害された際に、ポチタが心臓となり身体を再生させたことでチェンソーの悪魔へと変身する能力を手に入れた。その力でゾンビの悪魔とヤクザたちを皆殺しにした後、マキマに拾われて公安所属のデビルハンターとなる。
大胆不敵な自信家で、素直かつ単純な性格。物事を深く考えることが嫌いで自分の欲望に忠実だが、それらは過酷な幼少期を過ごした経験と「普通に生きて普通に死ぬ」という人並みの生活と幸福への憧れによるものである。幼少期からデビルハンター以外の生き方を知らずに過ごしてきたため、協調性や一般常識に欠けるが、次第に他者への思いやりや自分の生き方について考えるなど成長を見せるようになる。
初めて自分を一人の人間として扱ってくれた経緯からマキマに好意を持っており、公安で任務を続け、彼女に認められることを第一目標とする。その後、マキマの企みにより「チェンソーマン」に変身して暴走してしまうが、ポチタとパワーの助力によりデンジとしての姿を取り戻し、再びマキマと対峙。ポチタとの連携で勝利する。マキマへの好意は最後まで変わることはなかったが、マキマの所業によって命を落とした者たちへのけじめとして、彼女を攻撃としてではなく愛ゆえの行為で完全に殺すために、肉体を食して一つになることで罪を共に背負うことを選ぶ。
全てが終わった後はニャーコやマキマが遺した犬たちと暮らしていたが、転生した支配の悪魔である「ナユタ」を岸辺から預けられ、共に暮らすこととなる。
第二部『学園編』では高校生として学校に通っている。自身がチェンソーマンであることを隠しながら引き続き悪魔の討伐をおこなっているが、内心では周囲に自分がチェンソーマンであることを打ち明けたいと思っている。 チェンソーの悪魔 演 - 夛田将秀、仲宗根豊 デンジが悪魔に変身した姿。胸から生えたスターターロープを引っ張ることで変身する。変身すると頭部全体が、鋭い牙の生えたチェンソーのような形状になり、両腕からも腕を貫くようにガイドバーとソーチェンが生える。人や悪魔の血液をエネルギー源としており、どんなに深い傷を負っても胸のスターターロープを引っ張れば何度でも蘇ることができる不死身の存在だが、逆に貧血になると肉体の再生ができずに仮死状態に陥るという弱点も存在する。 戦闘時は常人離れした身体能力に加え、自身の肉体各部から突き出ている刃を高速回転させ、対象を荒々しく斬り刻む攻撃を得意とする。さらに数々の戦いを通じて肉体から突き出る刃の制御や出し入れ、伸ばしたチェーンを利用した移動や拘束などの応用もできるようになった。後にこの姿は仮のものであり、真の姿は地獄のヒーロー「チェンソーマン」であることが判明する。 チェンソーマン 精神が崩壊したデンジがマキマに助けを求められた際に変身した姿であり、かつポチタの真の姿。変身の際には、腹から腸のようなものが出てマフラーのように首に巻き付く。外見にデンジの面影はなく、通常時の変身よりも強大かつ凶悪な姿に変貌しているほか、戦闘力も大幅に増幅している。マキマ曰く「悪魔に最も恐れられる地獄のヒーロー」で、悪魔に助けを求められると現れるが、助けを呼んだ悪魔ごとあらゆる悪魔を殺し回り、自身は何度殺されても復活して蹂躙を続けるという滅茶苦茶な存在である。その活躍から怒りや畏怖、崇敬など様々な感情を悪魔から向けられている。 悪魔から恐れられる更なる理由として、悪魔を食べるとその名前を持つ存在をこの世から消し去ってしまうという能力を持っており、食べられた存在はあらゆる記録や個人の記憶から抹消されるため、その結果として作中の世界には「ナチス」「第二次世界大戦」「エイズ」「核兵器」「第六感」といった事物や概念が存在しない。 何者をも寄せ付けない圧倒的な強さでマキマと対峙したが、人々がチェンソーマンをヒーローと見なすようになり、恐怖されなくなったことで弱体化し、一度は敗北する。弱体化してからは、それまでのチェンソーの悪魔の姿に腕だけ鎧が備わったような見た目となっている。

チェンソーの悪魔

演 - 夛田将秀、仲宗根豊
デンジが悪魔に変身した姿。胸から生えたスターターロープを引っ張ることで変身する。変身すると頭部全体が、鋭い牙の生えたチェンソーのような形状になり、両腕からも腕を貫くようにガイドバーとソーチェンが生える。人や悪魔の血液をエネルギー源としており、どんなに深い傷を負っても胸のスターターロープを引っ張れば何度でも蘇ることができる不死身の存在だが、逆に貧血になると肉体の再生ができずに仮死状態に陥るという弱点も存在する。
戦闘時は常人離れした身体能力に加え、自身の肉体各部から突き出ている刃を高速回転させ、対象を荒々しく斬り刻む攻撃を得意とする。さらに数々の戦いを通じて肉体から突き出る刃の制御や出し入れ、伸ばしたチェーンを利用した移動や拘束などの応用もできるようになった。後にこの姿は仮のものであり、真の姿は地獄のヒーロー「チェンソーマン」であることが判明する。

チェンソーマン

精神が崩壊したデンジがマキマに助けを求められた際に変身した姿であり、かつポチタの真の姿。変身の際には、腹から腸のようなものが出てマフラーのように首に巻き付く。外見にデンジの面影はなく、通常時の変身よりも強大かつ凶悪な姿に変貌しているほか、戦闘力も大幅に増幅している。マキマ曰く「悪魔に最も恐れられる地獄のヒーロー」で、悪魔に助けを求められると現れるが、助けを呼んだ悪魔ごとあらゆる悪魔を殺し回り、自身は何度殺されても復活して蹂躙を続けるという滅茶苦茶な存在である。その活躍から怒りや畏怖、崇敬など様々な感情を悪魔から向けられている。
悪魔から恐れられる更なる理由として、悪魔を食べるとその名前を持つ存在をこの世から消し去ってしまうという能力を持っており、食べられた存在はあらゆる記録や個人の記憶から抹消されるため、その結果として作中の世界には「ナチス」「第二次世界大戦」「エイズ」「核兵器」「第六感」といった事物や概念が存在しない。
何者をも寄せ付けない圧倒的な強さでマキマと対峙したが、人々がチェンソーマンをヒーローと見なすようになり、恐怖されなくなったことで弱体化し、一度は敗北する。弱体化してからは、それまでのチェンソーの悪魔の姿に腕だけ鎧が備わったような見た目となっている。

声 - 井澤詩織
チェンソーの悪魔。デンジの相棒で、チェンソーを模した子犬のような見た目をしている。普段は「ワン」としか鳴かないが、稀に相手の意識内で会話することがある。
頭部から鼻先にかけてチェンソーの刃が生えており、作中ではデンジの武器や工具として活用されている。
瀕死で倒れていたところにデンジと出会い血を与えられ、「ポチタを助ける代わりにデンジを助ける」契約をし協力するようになる。悪魔でありながらデンジとは良好な関係を築いており、デンジが語る夢の話を楽しみにしていた。デンジが殺害された際には「心臓をデンジに与える代わりにデンジの夢を自分に見せてほしい」と言い、再び契約してデンジと一体化する。その後はデンジの体の中で生き続けており、夢の中からデンジに語り掛けるようになる。
その正体は地獄のヒーロー「チェンソーマン」の成れの果てで、強力な悪魔との激戦で瀕死になり、弱体化した姿であった。チェンソーマンとなったデンジがマキマによって瀕死にされた際には、デンジの血に残されたパワーの残滓に自らの肉を与え、パワーとデンジの復活に大きく貢献する。マキマとの最終戦ではデンジの策の一環としてデンジに成り代わってマキマと対決し、デンジを勝利に導いている。
「誰かに抱きしめてもらうこと」が夢であったが、強すぎたがためにデンジと出会うまでそれが叶えられることはなかった。第一部の最終回である97話では、自分とも通ずる部分のあった支配の悪魔の心中を見抜き、夢の中でデンジにナユタを「たくさん抱きしめてあげて」とアドバイスを残す。

声 - 楠木ともり
演 - 平野綾
デンジの上司となる女性。内閣官房長官直属のデビルハンターで、公安対魔特異4課のリーダー。１本の三つ編みにしたチェリーピンクの髪と同心円状の瞳が特徴的な麗人。優しく人懐っこい一面と、非情で容赦のない冷徹さを併せ持ち、つかみどころがない性格。周囲の者を惹きつけるミステリアスな魅力の持ち主で、人間からも悪魔からも畏怖や憧れを抱かれる存在。
ゾンビの悪魔討伐に向かった際にデンジと出会い、彼を自身が担当する公安対魔特異4課に迎え入れる。癖者揃いの特異4課をまとめ上げる実力者で、肉体、精神、戦闘力のあらゆる面で常人をはるかに超越しているが、その出自や真意については謎が多い。
その正体は、内閣総理大臣と契約した支配の悪魔。「物事を掌握する力」を持ち、チェンソーマンが悪魔を食べて消えてしまった存在の名前もしばらくは憶えていられる。格下と見なした相手を意のままに操ることができるほか、契約によって自分への攻撃からのダメージを日本国民に移すことで不死身に近い存在となっている。
チェンソーマンには狂気にも似た憧れを抱いており、彼の力を支配して「なくなったほうが幸せになれるもの」を消し去って「より良い世界」を作ろうとしている一方で、彼に食べられて消滅することもまた本望と語っている。数々の任務の末にデンジの精神を崩壊させることでチェンソーマンを出現させることに成功するが、最終的にパワーの介入と再起を遂げたデンジの策に嵌まり敗北。最期は食べることでデンジの肉体と「一つになる」という奇策を取られたことで不死身の契約を無効化されて消滅する。
ポチタの見立てによれば、家族や対等な関係に飢えており、人が恐怖を抱くものを消すことで、恐怖による支配でしか他者と関われなかった自分が対等な関係を築ける世界を作ることも目的の一つだった。

声 - 坂田将吾（幼少期 - 村瀬歩）
演 - 梅津瑞樹
公安対魔特異4課の隊員で、デンジの3年先輩の男性。髪を後頭部の高い位置で結っている。両親（声 - 上田燿司、斎藤恵理）と弟のタイヨウ（声 - 中臣真菜）を銃の悪魔に殺され、復讐のためにデビルハンターになった。銃の悪魔討伐に命を懸けており、死すら厭わないほどの強い信念と高い実力を持つ。普段は冷徹に振舞っているが、根は心優しく情に厚い性格。バディの姫野とは付き合いが長く、互いに厚い信頼を置いている。また、マキマには「命の恩人」として好意を抱いている。
物語開始時点では狐の悪魔・呪いの悪魔と契約しており、戦闘においては悪魔の力を駆使して戦うが、度重なる悪魔の力の行使により残りの寿命が大きく削られている。サムライソードとの戦いで狐の悪魔に見限られ、呪いの悪魔の力も寿命が減りすぎて使えなくなったため新しく未来の悪魔と契約し、天使の悪魔とバディを組んで彼の作り出した寿命武器の刀で戦うようになる。
デンジとパワーが公安対魔特異4課に加入した後は彼らの監視役兼保護者として共同生活を送る。当初は自分勝手なデンジとパワーに手を焼いていたが、ともに暮らす内にかけがえのない存在になってゆき、悲願であったはずの銃の悪魔討伐作戦の際には彼らを失うことを恐れて不参加を要請するまでになる。しかし銃の悪魔迎撃のためにマキマの能力によって支配され、さらに銃の悪魔に肉体を奪われ銃の魔人となりデンジを襲う。混濁した意識の中で、デンジと雪合戦をする幻想を見ながら人々の殺戮を開始するも、最終的には人々の救いを求める声に答えたデンジによって倒される。しかし、その精神は最期の瞬間に弟と再会し、かつて出来なかった弟とのキャッチボールを果たすことで幸福に満たされていた。

声 - ファイルーズあい
演 - 甲田まひる
血の魔人。魔人としては比較的知能と理性があったためマキマに保護され、魔人でありながら公安対魔特異4課のデビルハンターとなる。容姿はおよそ10代後半程度の女性で、亜麻色のロングヘアー、頭頂部の2本のツノ、十字の文様が入った虹彩が特徴。一人称は「ワシ」で、老人語混じりの話し方をするが実際は子供っぽく、非常に自己中心的かつわがままな性格。言ったことをすぐ覆すうえに虚言癖があり、かつ無責任で都合の悪い事態は責任転嫁する。元が悪魔だった故にプライドが高く傲慢だが、自分より強い相手には逆らわず自己保身を優先する傾向にある。
血を操る能力を持ち、血を固めて武器を生成したり、自分や他者の血液を操作することで止血を行うこともできるが、本人は魔人状態であるために他人の血の操作は苦手と述べている。また吸血することで自らの力を強化することができる一方で、逆に血を使いすぎると貧血になり動けなくなる弱点もある。
特異4課に加入したデンジのバディとなるも当初は人間を信用していなかったが、唯一心を許していた猫の「ニャーコ」をデンジに救われたことで信頼関係を築く。デンジとバディを組んで以降はデンジと共にアキの自宅で暮らし、様々な任務で活躍するが、後に独自の思惑を秘めたマキマに殺害される。しかし以前にデンジに自らの血を吸わせていた事から、デンジの中で辛うじて生きながらえ、血の悪魔本来の姿で復活。致命傷を負いながらもマキマからデンジを護りきり、最期は「血を与える代わりに、いつか血の悪魔を見つけて再び友達になる」契約をし、デンジを復活させて消滅する。
83話ではマキマからチェンソーマンの眷属に数えられる。

血の悪魔

パワーの悪魔本来の姿。女性的な肢体の肉食獣のような姿をしており、4本の腕と顎下から腹部にかけて露出した臓物が特徴的。十文字の目や髪、ツノなど、魔人のときと近い特徴もある。血を操る能力が魔人のときより格段に強力で、他人の血で武器を生成して体の内側から切り裂いたり、空中に大量の武器を生成して発射させたりといった攻撃ができる。性格は全く変わっていない。

「学園編」の主人公。第四東高等学校に通う少女。肩の下まで伸びた黒髪を後ろで2つに束ねている。両親を悪魔に殺された過去を持ち、人々に持て囃されている悪魔のヒーロー「チェンソーマン」を嫌っている。頑固で融通が利かない性格により周囲からは孤立しているが、根は真面目で繊細な常識人。また、内心では素直な生き方や、友だちや恋人を作ることに憧れている。
クラスで飼われることになった鶏の悪魔・コケピーとの交流で周囲に心を開きかけるが、誤ってコケピーを死なせてしまったことで、より孤立を深めてしまう。その夜、クラスの委員長が契約した「正義の悪魔」によって頭部顔面を切り刻まれ殺されかけるが、突如現れた戦争の悪魔に身体を乗っ取られたことで委員長を撃退。それ以降「戦争の悪魔(ヨル)」と身体を共有することになる。
チェンソーマンを倒すことができれば肉体を返すというヨルの言葉により、不本意ながら校内にある「デビルハンター部」入部を目指すこととなる。その過程で初めての友人となるユウコや、吉田ヒロフミ、デンジたちと接触する。

ヨル/戦争の悪魔

登場時はヨタカに似た不気味な姿をしている戦争の悪魔。チェンソーマンを倒すことを目的としている。
アサの身体を乗っ取り体を共有するようになってからは、便宜上ヨルと名乗る。アサの脳内で会話するときや、ヨルが肉体の主導権を握るときは、顔に大きな傷跡がついたアサの姿で登場する。
チェンソーマンを探すために勝手の判らぬ人間社会に適応せねばならないことから、アサの身体意識の全てを乗っ取ることをせず、アサの脳の半分を残すことで共存状態をとっている。高圧的で傍若無人だが、脅しの通じないアサの難儀な性格やお人好しぶりに頭を抱えたり、アサの意識誘導に引っかかったりと、どこか人間臭い部分がある。
自分の物だと認識した物体や生物、そしてアサに好意を持つ人間を武器に変える能力を持っており、武器の強さは、武器にされる人間に対してアサが罪悪感を抱いているほど強くなる。ヨルの意思でアサと体の主体となる表に出る人格を切り替えることが可能だが、アサの恐怖心が強くなっている間は人格を切り替えることができない。
チェンソーマンが該当悪魔を食べたことで「核兵器」や「第二次世界大戦」の存在が世界から消滅しているうえに、自身も何度も戦ったが敗けて体を食われて弱体化しているため世界に大きな戦争が起こらなくなっており、「戦争の恐怖」とともに自身が忘れられることを恐れている。

支配の悪魔。死んで地獄に落ちたマキマの再生体で、黒髪の少女のような姿をしている。岸辺の判断により、再びマキマのような危険人物に成長させてはならないと、デンジに預けられて共に暮らしている。
初登場は1部最終話だが、2部で本格的に登場となる。犬達の散歩を終え帰宅すると同時に、ヨルがデンジの唇を奪うのを目撃し、「泥棒」と言い放ち、アサ/ヨルの人格を一時的に犬に変えた。デンジに懐いており、笑い方やピースする癖など、デンジの影響を受けていることを示唆する描写がある。

ポチタやデンジとは異なるチェンソーマン。ユウコを殺した。

声 - 伊瀬茉莉也
演 - 佃井皆美
デンジの先輩で、アキのバディ。隻眼で眼帯がトレードマークの美女。明るくノリのいい性格。酒好きだが酒乱であり、酔うと奇行が増える。酔った勢いで一度はデンジを自宅に連れ込み性行為に及びかけるも、互いに別の想い人が居ることを知ったことで「友達」となった。父と妹（声 - 松本沙羅）がおり、実家に仕送りをしている描写がある。
自身の右目を代償に幽霊の悪魔と契約しており、不可視、不可触の腕を自由自在に操ることができる。デビルハンターとしての経歴は長く、過去5人いた彼女のバディはいずれも殉職している。その影響かアキとバディを組む以前は暗くシビアな性格だった。アキに好意を持っており公私ともに依存しつつも、内心ではアキが公安を辞めて穏やかに生きることを望んでいる。愛煙家であり、元々は嫌煙だったアキをなし崩し的に喫煙者にした。
サムライソードとの戦いの際に、アキを護るため幽霊の悪魔に自身の全てを捧げて戦うも、ヘビの悪魔に幽霊の悪魔を喰われ肉体が全て消滅する。

声 - 八代拓
演 - 鐘ヶ江洸
デンジの同僚で、コベニとバディを組む新人の男性。22歳。趣味は俳句。姫野曰く「実力不足だけどやる気は十分」。狐の悪魔と契約している。大柄な体格と生真面目な性格をした堅物だが、繊細で面倒見のいい一面もある。幼少期は母親がよく酔って帰ってきたらしい。
当初はデンジのことは快く思っていなかったが、永遠の悪魔との戦いでデンジに助けられたことで認識を改めたのも束の間、特異課襲撃の際にコベニを庇って射殺された。

声 - 高橋花林
演 - 岩田陽葵
デンジの同僚で新人の小柄な女性。20歳。同じく新人の荒井とバディを組んでいたが、彼の死後は暴力の魔人とバディを組むことになった。姫野曰く「引っ込み思案だけどかなり動ける」。契約している悪魔は秘密。本人は大学進学を望んでいたが、優秀な兄を大学に行かせるため、嫌々ながらデビルハンターになった。9人兄妹で、所謂毒親に搾取される荒んだ家庭環境を持つ。小心者で精神的に脆い部分があるが人並み外れた身体能力を持ち、対人での戦闘力は非常に高い。
給料を貯めて自動車（フィアット・500、通称コベニカー）を購入したが、パワーにアメリカの刺客の長男を撥ねるのに利用され、その後の戦いの中で大破してしまう。その後デンジらと共に地獄に送られてしまうが暴力の魔人に守られて生還、ついに公安を辞職した。
辞職後はハンバーガーチェーン店『ファミリーバーガー』に勤めていたが、店長や店員からパワハラを受け「助けて」と零した事でチェンソーマンを呼び寄せる。「女とデートをしたい」というデンジの夢に付き合わされる形でチェンソーマンに連れ回された挙句、マキマとチェンソーマンの戦いに巻き込まれる。その後は元に戻ったデンジと共に岸辺に匿われ、命を落としかねない状況に怯えながらも両親から離れられることに安堵していた。

声 - 武藤正史
演 - 船木政秀
特異4課所属のデビルハンターだった男性。顔の切り傷と眼鏡が特徴で、甘いものが好物。特異課襲撃の際には行動を共にしていた女性課員（声 - 國府咲月）は死亡するが、彼自身は生存。その後は公安を辞職し、民間のデビルハンターとなった。

声 - 小林親弘
特異4課所属のデビルハンター。丁寧な物腰でIQ134の知性派。しかし、特異課襲撃の際に奇襲を受け、行動を共にしていた大柄な体格の男性課員（声 - 黒澤剛史）と共に呆気なく射殺された。

声 - 津田健次郎
演 - 谷口賢志
姫野、早川の師匠である初老の男性。年齢は50代。初登場時は公安対魔特異1課所属で、後に合併された特異4課の隊長を務めることになった。口の左にある縫い跡が特徴的なほか常に無表情で、何を考えているのかわからない印象を与える。特異課襲撃の後、サムライソード打倒に備えてデンジとパワーの稽古をつける。
「悪魔が恐れるデビルハンターは頭のネジがぶっとんでるヤツ」という持論を持っており、好きなことは酒と女と悪魔を殺すことと語るなどエキセントリックな面が目立つ。仕事の際には冷静沈着かつ冷酷に振舞っているが、根は人情家で、仲間想いの性格。
自称「最強のデビルハンター」で、老いとアルコールにより実力に衰えはあるものの、それでもマキマを除けば公安所属のデビルハンターの中では最強という超人的な戦闘力を持つ。ピンツィによれば爪の悪魔・ナイフの悪魔・針の悪魔と契約しているが、契約の対価として払えるものは体に残っていない。
当初からマキマを警戒しており、マキマがチェンソーマンを復活させた際には、彼女のマンションを機動隊やデビルハンター達を率いて襲撃するが失敗。自意識を取り戻したデンジとコベニを匿い、デンジの最後の戦いに協力する。全ての決着がついた後、中国から拉致してきた、生まれ変わった支配の悪魔であるナユタをデンジに預け、自身は姿を晦ましている。
かつては9年以上クァンシとバディを組み、また彼女に惚れてアプローチをかけていたが、彼女が女の方が好きであることから諦めている。

声 - 花江夏樹
サメの魔人。筋肉質な男性の肉体を持つ。頭の上半分がサメの頭部と背鰭を模したような形になっており、耳も人間のものより尖っている。戦闘時には頭部全体がサメになり、目標に喰らいついて攻撃する。短時間であれば悪魔本来の姿にもなれる。地中や壁などあらゆる場所を泳ぐことが可能で、普段のパトロールの際には頭頂部の鰭だけ地上に出して地面に潜んでいる。非常に凶暴で普段は会話もできないほどだが、マキマには頭が上がらないようで彼女には忠実。また、チェンソーの悪魔の過去を知る人物の一人で、デンジのことを「チェンソー様」と呼び慕っている。
レゼと台風との戦いでは大いに活躍するが、闇の悪魔との戦いでは、デンジを復活させるために彼に血液を分け与えた後、殺されてしまう。83話ではマキマからチェンソーマンの眷属に数えられる。

サメの悪魔

ビームの本来の姿。丸く大きな3対の目、たてがみのような複数の背鰭、昆虫の足のように変化した2対の胸鰭など、通常のサメの特徴を誇張したような見た目をしている。機動力に長け、作中では、デンジを背に乗せて台風の悪魔の体表を駆け回り、その撃破に大きく貢献した。

声 - 内田真礼
頭上の光輪と一対の羽を備えた、中性的な天使の姿をした悪魔。羽は防御等に活用することもできる。性別は男性。姫野の後任でアキのバディとなる。覇気に欠け、常に気だるそうにしているほか、「働くくらいなら死んだほうがマシ」など、自らの死を望むような発言も多いが、マキマによれば、怠け癖がなければ岸辺の次に強い。他の悪魔の例にもれず、人の苦しみを望んでいる旨の発言をしている一方、天使らしい慈悲や気遣いを覗かせることもある。
特殊な悪魔らしく、悪魔ながら人間に敵意を抱いていないものの、意思とは無関係に、触れた人間の寿命を吸い取る能力を持っている。彼自身はこの能力を「死を呼んでしまう」として嫌っている。吸い取った寿命を変換して武器を造ることもでき、アキの新しい刀も彼の能力で造ったもの。武器は使用する寿命に応じて強力になり、召喚する際は光輪から引き出す。かつては漁村らしき場所を故郷として人と交わって暮らし、思い人すらいたが、マキマに操られて村の人間の寿命を全て吸い取っており、その記憶を消されている。
闇の悪魔との戦いで両腕を失う。アキと共にマキマに相談に行き、アキがマキマに操られる様子を見て記憶を取り戻し、反旗を翻すが再支配されてしまう。83話ではマキマからチェンソーマンの眷属に数えられる。

声 - 内田夕夜
ペストマスクとガスマスクを合わせたような仮面を装着し、パーカーのフードを被った男性。特異課の統合以降は、コベニとバディを組んで活動している。魔人の身でありながら強すぎるため常に毒の出る仮面で力を制御されているが、それでも蹴り技を筆頭とする格闘能力では無類の強さを発揮する。仮面の下は人間に近い顔をしているが目が2対ある。
暴力を冠する物騒な名前とは裏腹に、本人は争いを嫌う気さくで明るい性格をしており、フレンドリーな言行も多い。人間としての脳が多く残っているらしく、乗っ取った人物が生前に通っていた学校や定食屋の記憶が残っており、マキマに助けられたことも覚えているが、なぜその人物が亡くなったかは覚えていない。
闇の悪魔との戦いでは仮面を外して全力で応戦し、満身創痍になりながら奮戦するも敗れて死亡する。
83話ではマキマからチェンソーマンの眷属に数えられる。

声 - 後藤沙緒里
人間の女性に似た上半身と蜘蛛のような多脚を備えた悪魔。顔には正中線に沿ってファスナーのような溝が走っている。人間に友好的だが、癇癪で安易に人を殺すとして警戒されている。常に無表情だが、マキマには忠実で彼女に付き従っている。
多脚を利用して天井を移動したり、脚で敵を貫いたり切り裂いたりする。また、体のファスナーを開くことで任意の物を召喚する能力を持っている。
83話ではマキマからチェンソーマンの眷属に数えられる。

チェンソーマンの眷属。イナゴのような頭部と羽をもつ。

チェンソーマンの眷属。黒髪と四つの目、四つの耳をもち、ネコ科動物のような顔立ちをしている。

チェンソーマンの眷属。頭部が無く、手足の先がハサミのような形状になっている。

右頬から口にかけて大きな傷痕がある男性。狐の悪魔の手を使う。2課時代の早川の先輩。早川に期待しており、自身が副隊長になった暁には彼を2課に引き抜くと言っている。レゼの襲撃に遭い、重傷を負いながらも応戦するが死亡。

遠隔で相手の内臓にカビを生やす能力を使えるが、不死の再生能力を持つレゼを倒すことはできなかった。レゼの爆発に巻き込まれ生死不明。

対魔2課の副隊長。アキと同様に契約悪魔は狐（頭）。命の危機に際しても合コンの心配をするなど飄々とした男。レゼによって殺された。

声 - ソンド
サムライソード一味との再戦時、神奈川県警警部補の椎名（声 - 三瓶雄樹）と共に登場。岸辺より建物の出入口の封鎖を任されていた。

声 - 河西健吾
演 - 阿瀬川健太
京都公安所属の男性。鼻から左頬にかけて切り傷がある。罰の悪魔と契約している。特異課襲撃の後に特異4課の指導に来訪、早川に未来の悪魔との契約を結ばせた。早川同様に銃の悪魔への恨みでデビルハンターになったが、復讐はすでに諦めている。ゆえに愚直に復讐を目指す早川には苛立ちを感じているが、一方でその身を案じて激励を送った。
学生時代はサッカー部に所属していた。兄がいたが、悪魔に食べられ亡くなっている。東京にミサという名の恋人がいる。マキマの要請を受け、デンジ護衛任務に参加するべく東京まで車で移動する道中で、アメリカからの刺客の三兄弟によって天童・スバルと共に射殺された。その後、銃の悪魔との対決の際にマキマの支配を受けた状態で召喚される。

声 - 上田瞳
演 - 三枝奈都紀
京都公安所属の女性。長身で、鼻から右頬にかけて切り傷がある。ジョーイ曰く「いい女」。黒瀬と同じく罰の悪魔と契約している。黒瀬とバディを組んでおり、ともに特異4課の指導に来た。黒瀬・スバルと共に、デンジ護衛任務に召集されるも道中で射殺される。その後、黒瀬と同様に銃の悪魔との対決の際にマキマの支配を受けた状態で召喚される。

京都公安対魔1課所属の男性。黒瀬の師匠であるほか、宮城公安の指導に当たったこともある。実力者のようだが、黒瀬らとともに射殺された。

宮城公安対魔2課所属の男性。明るい色の髪をオールバックにし、黒縁眼鏡をかけている。几帳面な性格で、デンジの言葉遣いやパワーの偏食にも厳しく注意する。石の悪魔と契約しており、魔法陣の上に立ち息を吹くことで相手を石に変えることができる。
対人護衛のエキスパートとして、玉置や吉田とともにマキマからの要請でデンジ護衛任務に参加する。闇の悪魔との戦いでは、両腕を奪われながらも血で魔法陣を描き石の悪魔の力で立ちむかうが敵わず、逆に石の悪魔を砕かれて自身の体も石になり、砕けてしまった。

宮城公安対魔2課所属の男性。日下部のバディ。坊主の髪型で額にホクロがあり、目の下に隈ができている。冷静沈着で寡黙な仕事人だが、デンジを囮に使ったことを本人に謝罪するなど良識も弁えている。
日下部と共にマキマの要請でデンジ護衛任務に参加する。闇の悪魔との戦いではクァンシと共に闇の悪魔に立ち向かうが、返り討ちに遭い、死亡した。

公安のデビルハンター。宮城か東京かは不明だが対魔2課に所属。デパートで刺客に襲われたデンジ一行に加勢したが、自己紹介をしようとしても他の人間に遮られるなど不憫な扱いを受けている。狐の悪魔（手）と契約している。クァンシに奇襲された際に首を切断されて死亡した。
人気投票ではサムライソードや荒井を抑えて20位にランクイン。

演 - 吉岡将真
彼が悪魔（武器人間）に変身した姿。仕込み刀のようになった左手を引き抜いて抜刀することで変身する。
変身すると、長大な刀が頭を後ろから前に貫くようにして水平に生え、その刃の部分とツバが一体化した軍帽のようなものも現れる。頭部は黒い肉質に覆われ目などの感覚器は確認できないが、口は歯が剥き出しになったものになる。腕からも、腕を貫くように刃が生える。
戦闘では主に両腕の刃を使うほか、身を屈めて構えを取った後、高速で突進しながら刀を振り抜く居合斬りのような攻撃を得意としている。

レゼが悪魔（武器人間）に変身した姿。首の右側にあるリング（手榴弾のピンのようなもの）を引き抜くことで変身する。変身は首から上が爆発したあと衣装が生成され、煙の中から頭部が現れて完了する。
変身すると、頭部が航空爆弾を模したようなものに変化し、導火線状のもので編まれたオペラグローブと、ダイナマイト状のものが連なったエプロンを身に纏う。頭部には目と思われる切れ込みと、剥き出しの牙が並んだ口が確認できる。
戦闘では主に、自身を起点とした爆発による攻撃を行うが、攻撃手段や応用は幅広く、デンジやサムライソードよりも練度の高さが見て取れる。作中では火花を飛ばして離れた場所に爆発を起こしたり、徒手格闘に爆発や爆風を付与し、速度や破壊力を強化するなど様々な戦法を見せている。

名前は不明。長い前髪とアゴヒゲが特徴。仕事の際には前髪を七三分けにする。兄弟の中ではクールで落ち着いた性格。弟たちと共に黒瀬らを殺害し、黒瀬に変装してデンジらと接触するが、パワーが運転するコベニの車に撥ねられ、後頭部を強打し、死亡した。

クァンシが悪魔（武器人間）に変身した姿。姿と能力から弓矢の悪魔と推測される。右目の眼窩に隠された矢を取り出すことで変身する。変身すると、頭部が矢のような刺々しい装飾と、弓を模した角が生えたものになり、両腕にも複数の矢がつがえられた弓が現れる。大量の矢を高速で発射することができ、非常に高い殲滅力を持っている。

声 - 甲斐田裕子
アキと契約していた悪魔。全体像は明らかになっていないが、巨大な狐の姿に似た姿をしている一方、頭部には大小複数の目がついている。呼び出す部位に応じた形の手印と「コン」の号令によって呼び出すことができる。比較的人間に友好的な悪魔で、アキ以外にも多くの人間と契約しており、皮膚や体の一部を代償に頭部を召喚できる。戦闘では爪で斬りつけたり、頭部で敵に食らいつくなどして攻撃する。姫野曰く面食いで、頭を使わせてもらえるのは容姿の優れた男性だけらしい。
強力な悪魔だが、サムライソードやレゼといった悪魔でも魔人でもない存在は口に合わないらしく、飲み込むことなく取り逃してしまう。アキの命令でサムライソードを食らいつくが、あまりの嫌悪感にアキを見限ってしまう。

声 - 上田ゆう子
アキやサンタクロースなどが契約している悪魔であり、アキからはカースと呼ばれている。釘で相手の体を打ち、代償を払うことで能力が発動し、相手を呪い殺す。アキはその力が宿った釘のような形の刀を所持しており、能力を使う際はこれを使って闘う。アキは、刀を3回刺すことで寿命と引き換えに対象を呪い殺す、という内容で契約しており、正に切り札に位置付けられている。サンタクロースは条件が異なる。
決まれば確実に相手を殺すことができるが、死んだ後に蘇ることができる武器人間には効果が薄い。

声 - 裕樹
銃のテロリストによる襲撃後に新たにアキが契約した悪魔。妙にテンションが高く、「未来最高」と叫ぶことが多い。人型の樹木のような姿をしており、頭部には目が3対あるほか、腹部のうろの中にも大きな目があり、うろの中に頭を入れた人間の未来を結末まで見ることができる。
アキ以外にも公安に2人、それぞれ両目と味覚と触覚、寿命の半分を代償に契約している人物がいる。「最悪な死に方をする」アキの未来を気に入り、右目に住まわせるだけという破格の代償の軽さで契約した。
能力によりアキは数秒先の未来を見ることができるようになるが、あくまでも「見えるだけ」であり、未来の出来事にどう対処するかは本人次第。また、未来の悪魔の方から勝手に未来を見せてくることもある。

声 - きそひろこ
姫野が契約している悪魔。姫野からはゴーストと呼ばれている。本体は花が繁茂した胴体に、目と口が縫い合わされた女性の顔と大量の骨張った腕が生えた見た目をしており、姫野はその腕のうちの一本を借りている。姫野は手のひらにある口を介して会話していたが、本体が言葉を発する描写はない。目が潰れているため、人間の恐怖心を察知して動いている。沢渡に使役されてアキと戦った際、アキに姫野が遺したタバコを授け、それを見て恐怖を克服したアキに首を切られ、消滅した。

沢渡が契約している悪魔。組み合った人間の腕で口が閉ざされた、鱗のない巨大なヘビのような姿をしている。口の先には人間のような歯が生え揃っている。尻尾や噛みつきで物理攻撃をするほか、丸呑みした悪魔を吐き出して使役することもできる。

加藤、田辺が契約している悪魔。自身の血を代償に召喚できる。指を指した先にカビを生やすことができる。

アメリカの3兄弟が契約している悪魔。作中では能力について説明があるのみ。能力を使うと触れた死体の身なりを奪うことができ、3兄弟はこれを潜入に活用している。使用者が死ぬと変装は解除される。

サンタクロースが契約している悪魔。姿や契約内容は不明。能力を使うと触れた人間を操り人形に変えることができ、人形に触られた者も人形となる。人形となった者は、文字通り顔が人形のように変化して表情を失うほか、体の一部を変形させることもできる。事前に対象に『人間しか持たない感情』を学習させておくと、より人間に近く、サンタクロースの意のままに操れる『精巧な人形』を作れる。
世界中に散在する無数のストック達の中の1人がサンタクロースになるというからくりで動いている。そのためサンタクロースを殺しても次のサンタクロースが出現するだけで、人形の悪魔を滅ぼすためには何らかの対策が必要になる。最終的には宇宙の魔人によって攻略された。

日下部が契約している悪魔。ガーゴイルのような姿をしている。契約内容は不明。能力を使うと、魔法陣のような陣の上で、指で作った輪を通して息を吹きかけることで、対象を石像にできる。日下部によれば気まぐれらしく、味方も巻き込まれる恐れがあることが示唆されている。強力だが、陣の上でないと発動できない欠点もある。

岸辺が契約している悪魔のうちの1体。名前のみの登場で詳細は不明。

岸辺が契約している悪魔のうちの1体。名前のみの登場で詳細は不明。

岸辺が契約している悪魔のうちの1体。名前のみの登場で詳細は不明。

吉田が契約している悪魔。契約内容は不明。全容は明らかになっていないが、作中では墨のような煙幕の中から現れる巨大な触腕が描かれている。触腕は直接攻撃のほか、クッションや命綱としても活用できる。

サンタクロースが契約していた悪魔。ドイツのサンタクロースと養子3人の心臓と引き換えに、巨大な6本指の右手を上空から出現させ、デンジ達のいるデパートの全ての生物を地獄へ送る。
後に岸辺の部隊がマキマを襲撃した際に自ら生贄となった4人と引き換えに再登場。炎をまとった人馬のような容姿が明らかになった。マキマが呼んだ真チェンソーマンには敵わず倒される。

地獄の超越者・根源的恐怖の1人。悪魔は死ぬと輪廻転生するのだが、超越者は一度も死んだことがない。 何もせずとも魔人や悪魔たちが揃って恐慌をきたすほどの存在であり、地上で恐れられている銃の悪魔よりはるかに強い。
サンタクロースが契約していた悪魔。チェンソーの心臓を持ってくることと引き換えに、サンタクロースに自らの肉片を提供する。
体が複数のミイラで組み上げられた人型の異形がマントを羽織ったような姿をしている。地獄の上空にある無数のドアの一つから、上下に両断された宇宙飛行士で作られた花道とともに現れ、地獄の悪魔によって地獄へと連れていかれた面々の両腕を瞬く間に切断する。一瞬で周囲を闇で覆う、触れることなく対象に風穴を開ける、バラバラに切断する、体を捩じり折る、覗き込むだけで血を噴出させる、といった不可視の攻撃をする驚異的な力を持っている。また唯一目に見える攻撃手段として、鍔に4つの鈴が付いた巨大な刀を操ったりもする。デンジのチェンソーの刃が当たらない。

作中で大きな影響力を持つ悪魔。作中時の13年前、紛争などにより世界的に銃への恐怖が高まっていた中、アメリカで銃を用いた大規模なテロが起こった日に出現。世界各地に上陸し、およそ7分間で約110万人を殺害した。作中の描写では家屋を吹き飛ばしたり街を崩壊させたりと、天災とも言うべき甚大な被害を出している。それ以降は姿を消しているが、銃の悪魔の出現により悪魔そのものへの恐怖が高まり悪魔全体が強くなるなど、その影響は未だに残っている。
おおよそ山よりも巨大な人型で、背中と腕には大量の自動小銃を備えており、脚部はガンベルトでできている。頭部は拳銃を模しており、骨があらわになった胸部には大量の人間の顔が生えている。生まれた月や性別、年齢などの条件で指定された射程内の対象を狙い撃つ能力がある。
かつての出現時に脱落した弾薬のような形の肉片が世界中に散らばっている。肉片には、摂取することで悪魔が強力になったり、集結し再生しようと性質を活かして銃の悪魔本体の居場所を探索できたりする効果がある。契約した人間を介するなどしてチェンソーの心臓を狙っているようだが、作中では銃取引をする人間がでっちあげた嘘である可能性が高いと推測されている。
実は既に何者かによって倒されており、本体はいくつかの国で分けられて所持されている。また、現在違法に出回っている銃は、銃の悪魔が造った物ではなく人間が製造・販売した物であり、銃への恐怖を維持するために黙認されていた。その結果、銃の悪魔は国際外交上の抑止力として働いており、現実世界での核兵器のような役割を果たしている。
第75話でアメリカ大統領が国民の寿命1年分を代償にマキマを殺す契約をし、アメリカの所持分である全体の20％が復活。秋田県にかほ市に上陸し、道程で大量の虐殺を行いながらマキマへ向け侵攻、殺害するが、無限に蘇生が可能なマキマには有効打とならなかった。支配下の悪魔を使役したマキマの複合的な攻撃によって返り討ちにあうものの、アキの死体を乗っ取って「銃の魔人」となる。しかしその意識はアキのものと混合しており、マキマを離れアキの自宅へと向かったことで今度はデンジと戦闘になり、変身したデンジにチェンソーで刺殺された。

声 - 田所陽向
チェンソーマン化する前のデンジに駆除された悪魔。種から復活するため、駆除後も焼却をする必要がある。

幼少期のデンジに駆除された悪魔。デンジがヤクザに雇われるきっかけを作った。

声 - 宮田幸季
デンジを雇っていたヤクザが契約した悪魔。内臓が露出したトルソーの胸部に顔が生えたような見た目をしている。契約した人間はゾンビになり、ゾンビに噛まれた人間もまたゾンビになる。悪魔に変身したデンジが最初に屠った悪魔。後にサムライソードとの戦い、マキマとの最終決戦で再登場。

サービスエリアに出現し少女を誘拐した悪魔。少女やデンジの筋肉を操ったが、チェンソーマン化したデンジに敗北した。
アニメ本編では筋肉の悪魔が登場するエピソードは丸々カットされており未登場。

練馬駅に出現していた悪魔。民間のデビルハンターにより発見され駆除予定だったが、パトロール中のデンジとパワーに遭遇。パワーによってハンマーで粉砕された。

声 - 松田健一郎
ニャーコを監禁して盾にし、パワーに血を飲むための人間を要求していた悪魔。空を飛べるほか、口から強力な空気砲を発することもできる。追ってきたデンジと戦って敗北する。
第二部では外見が大きく変化した状態で登場。本能の赴くまま人間を貪り、その場に居合わせたアサ達を捕食しようとするが、ゴキブリの悪魔とデンジの戦闘に巻き込まれ死亡した。

声 - 橘U子
コウモリの悪魔を「私の男」と呼んでいた悪魔。コウモリの悪魔と共に人間を食べ尽くすことが夢だった。デンジとパワーを殺そうとしたが、アキが呼び出した狐の悪魔によって飲み込まれる。

アキと姫野に駆除された悪魔。銃の悪魔の肉片を食べていた。

アキと天使の悪魔によって駆除された悪魔。

第二部で登場。デンジとの戦闘中に学生と老人を利用してデンジを倒そうとするが、両方無視したデンジにあっさり倒された。

第二部より登場。アサやデンジが通う第四東高等学校に潜伏しているという。契約した人間を悪魔に近い異形に変化させる能力を有しており、契約者は悪魔の力だけでなく他人の心を読む能力を有するようになる。契約代償は要求していないが、契約者はその特性から自分の正義に疑いを持てないまま殺人などを引き起こし、更に一度変化すると人間に戻れなくなるとされていた。
しかし、実際は落下の悪魔と共に出現した芋虫型の悪魔こそが正義の悪魔であり、上記の能力は火の悪魔のものだった。

根源的恐怖の名を持つ悪魔で、人間界に出現しただけで世界各国の重力に異常が生じる程の強力な力を持っている。料理服を着た麗人の姿をしている。自分が作る料理を振る舞うことに誇りを持っており、残したら死んでもらうとさえ言っている。
生け贄として集団飛び降り自殺させられた東区玉野集合団地の住人の遺体を媒体として人間界に出現した。
物理的・精神的問わずに「落とす」能力を持っており、作中では、トラウマを抱えたものや精神的ダメージを受けたものを、上空に出現した地獄の扉に落下させたり、ビルを引っこ抜いて対象に落下させている。
また、致命傷を受けてもすぐさま再生してしまうため、物理攻撃全般が効かない。
ヨルを操ろうとしたキガの依頼により出現し、アサ/ヨルを芋虫の形をした悪魔に食べさせようとしたが、ナユタの妨害により失敗。目の前でアサ/ヨルを吐き出されたことで血の涙を流し激怒し、悪魔を殺害して地獄に帰っていった

第二部より登場。長らく「正義の悪魔」とされていた悪魔の正体。現在のところ外見は不明だが、能力が発動する時に火が発生している。
前述の通り契約した人間を悪魔に近い異形に変化させる能力を持つ他、契約者が多ければ多いほど強化される能力も持つ。チェンソーマン教会の信者全員と契約しており、順当に行けば35万人の信者が火の悪魔と契約することになるという。

アニメーションプロデューサーを務めるMAPPAの瀬下恵介は、「『チェンソーマン』をよりよい形で映像化したい」という前提の下でどのようなスタッフィングがよいか話し合った結果、複数の会社の幹部が集まって様々な思想が錯綜する製作委員会方式よりも、自社ですべて制作費を出した方が、表現面においてもビジネス面においても自由度が高いと判断したと集英社オンラインとのインタビューの中で明らかにしている。
瀬下はスタッフィングに当たり、原作がジャンプ作品における異色であることから、演出や表現の決まった型を持たない新人に託すことで面白くなるだろうと考えたとインタビューの中で明らかにしている。その際、瀬下は自身が入社した時からアニメーターとしての才能を見せていた中山竜を監督として起用した。
中山はMAPPAの別作品『呪術廻戦』の第19話「黒閃」の演出・絵コンテなどを手掛けた実績があるものの、テレビシリーズの監督は本作が初めてである。
シリーズ構成と脚本は瀬古浩司が担当した。
なお、瀬下はキャラクターデザインやキャスティング、絵コンテのチェックから映像表現に至るまで逐一藤本から意見をもらうようにしているとインタビューの中で語っている。

アニメは漫画と違いリアルな時間軸で表現する必要があることから、映像化に当たっては「原作の忠実な再現」というよりはむしろ、「原作を映像化した際により忠実に見えるようにする」という方針がとられ、画面構成については写実的または映画的にするという方針が立てられた。
瀬古は原作を読んだ際に「映画的な漫画」だと強く感じたとリアルサウンドとのインタビューの中で述べており、シナリオを執筆している際も原作の熱量を下げることがないように意識していたと話している。
シリーズ構成に入る前に、監督と相談のうえで映像化する範囲を決め、それから物語の内容を割り振り、原作者の監修のもとで調整を行う。瀬古はこの手法は海外ドラマの影響であるとインタビューの中で認めており、話の割り振りが最も重要だとしつつも、各エピソードにテーマがあるか、そして最後の引きをどうするかを特に重要視していると話している。表現の補完などを目的にテレビアニメ版独自の場面を追加する際も、原作の魅力をそいだり、原作と齟齬が生じることがないように細心の注意が払われた。たとえば、第1話の場合、大勢のゾンビに追われたデンジがロッカーを倒して足止めをする場面が追加されており、これは『ウォーキング・デッド』などのゾンビものをヒントにしている。
また、原作は過激な描写が多いことで知られているが、中山は「物語の中で起きたことはちゃんと描写する」という方針を立てており、それを抑制したら『チェンソーマン』じゃなくなってしまうとファミ通とのインタビューの中で明かしている。中山はこのようなグロテスクな描写ができるほかの理由として、斬られる相手が人間ではなく悪魔やゾンビであることを挙げており、テレビ局の考査が入ったうえで、協議のうえで問題がないことを確認してから描写しているとも話している。また、中山はもっと描写を過激にすることはできるが、『チェンソーマン』の魅力はそれに限らないため、視聴者を必要以上に不快にさせてしまっては『チェンソーマン』らしい映像化から遠のいてしまうとも述べている。
デンジ役の戸谷菊之介はアニメイトタイムズとのインタビューの中で、ラフ状態にあるリハーサル用映像の時点からキャラクターが斬られる場面が多く、モザイクがかかるのではないかと思ったと話す一方、奇抜な描写が主体ではなく、メッセージ性や美しさや切なさがあるからこそ、アニメ化の要望が多く、実現したのだろうと推測している。また、マキマ役の楠木ともりは毎回劇場版じゃないかと思うぐらい美しい映像だったとメンズノンノとのインタビューの中で話している。

本作においては、手書きのアニメーションと3DCGが併用されている。
本作の3DCGモデルディレクターを務めた横川和政は、CG専門誌「CGWORLD」のインタビューの中で、今まで培ったMAPPAの様式を引き継ぎつつも、3Dモデルに質感を入れる新しい手法も挑戦していると述べている。MAPPAのCGチームは、チェンソーマンやサムライソードに加え、カースらモデリングの難しい悪魔も手掛けているほか、作画参考用としてデンジら主要人物のレイアウトモデルも作成した。
このうち、チェンソーマンとサムライソードは中山の要望により、部位の一部に特殊効果を撮影時ではなく3Dモデル作成の時点で付与するというMAPPAにしては珍しい手法がとられた。これにより、作画キャラクターともなじむ、2D調でありながらリッチな質感に仕上がり、特殊効果を入れる箇所やモデルを制限することで、より印象的に見せることができた。横川は特にチェーンソーマンの動きにこだわりがあり、じっくり協議をしながらセットアップを行ったと「CGWORLD」とのインタビューの中で明らかにしており、実際のチェンソーマンの首のチェーン一つ一つだけでなく、スニーカーの組みひもにリグが仕込まれるなど、細やかな設計がなされている。最初、中山や杉山が3DCGに不慣れであり、以降のリテイクに時間がかかることから、たたき台としてチェンソーマンの3Dモデルの初稿が出された。これをもとに杉山がキャラクター設定を仕上げ、そこからさらにモデルのブラッシュアップが行われた。それから数週間後に出来上がった完成稿は大まかな造形の変更ではなく、質感や色味などが補強された。加えて、初稿では水平だった歯茎の角度は、実際の人間の歯茎に従って2、3度の傾斜をつけることで造形のバランスが整った。また、衣装やダメージの差分も作られた。一方、チェンソーの刃が回転する場面はテクスチャやアニメーションだと正面から見た際にチェンソーの厚みがなくなってしまうため、こちらも3Dモデルによる表現が採用された。戦闘シーンではチェンソーを振り回すことから、あらゆる角度から見ても破綻がなく、かっこいい動きを実現するため、横川と杉山の間で話し合いが行われ、試行錯誤が重ねられた。
サムライソードのモデルはチェンソーマンのモデルができた後に作られた。効率を優先するため、プロポーションの調整はラフモデルの段階から行われていた。また、しわの目立つ衣装デザインであるため、設定画の指示を参考に、左右非対称にしわを刻むことでリアリティを追求した。
本作に登場する悪魔のうち、幽霊の悪魔のウェーブした髪を3Dモデルで表現するのには時間がかかった。最終的には大きなウェーブをZBrushでモデリングし、細かなウェーブをテクスチャで表現する手法がとられた。また、幽霊の悪魔はたくさんの腕や髪の毛の揺れだけでなく、花同士のめり込み防止にいたるまで複雑なリグが求められた。
撮影監督を務めた伊藤哲平は「CGWORLD」の取材に対し、色や雰囲気を大切にしてほしいという要望が寄せられたため、どうすれば雰囲気が良くなるかをつねに念頭に置いていたと話している。本作の撮影工程は、コンテ撮、レイアウト撮、タイミング撮、本撮という一般的なフローの次に色彩的な効果を用いたフィルタ処理という工程がある。これにより、場所や時期だけでなく、登場人物の感情を含んだ雰囲気ができるようになった。

キャスティングにあたっては、既存作品からイメージを作るのではなく、「デンジはデンジの声」という考えから、演者の普段の発声が意識された。また、選考はテープオーディションや立ち合いオーディションなど、複数の方法を用いて、時間をかけて行われた。
主人公のデンジ役には新人声優の戸谷菊之介が選ばれた。
戸谷本人は本作が初めての主演作となることへのプレッシャーがあったものの、音響監督の小泉紀介から作品の方向性について丁寧な説明を受けたりするなど、安心して収録に臨めたとアニメイトタイムズとのインタビューの中で振り返っている。その一方で、戸谷は2022年9月19日に行われたワールドプレミアにて、デンジの気持ちを細かく分析すると共感できる部分が多く、その気持ちを演技にのせたと述べている。
マキマ役には、戸谷と同じ事務所の先輩にあたる楠木ともりが起用された。楠木はワールドプレミアにて、デンジとの距離感を意識しながら演技をしていると述べている。
楠木は当初はマキマの謎めいた雰囲気を演技に含ませようとしたものの、監督からそのニュアンスは不要であると指摘が寄せられたと、戸谷との対談の中で明かしている。楠木は指示の意図について、序盤ではデンジから見たマキマが多く描かれているためであると推測しており、フラットなテンションかつつかみどころがないが、たまにかわいらしさが少しのぞけば良しと思って演じているとも話している。
また、物語ではデンジとマキマが行動を共にする場面が多いものの、お互いがどう出るのか知らない方がよいという観点から、特に打ち合わせなどはしていないと楠木は述べており、互いの演技で感じたことを受けて、それぞれの役で出した方が監督の求めるリアリティに近いと話している。
デンジの仲間の一人となる早川アキ役には坂田将吾が起用された。早川も中山から「坂田くんは声をつくらなくてもアキだから、お芝居をしようとしなくていい」と言われており、そこから作品の世界観をつかめたと感じたとメンズノンノとのインタビューの中で振り返っている。また、ある回ではアキの気持ちに焦点が当てられていたため、集中するために台本を見ずに収録に臨んだと坂田は述べており、「裏を返せば、それほど役を理解できたということで、僕にとって初めての経験でした。」と振り返っている。以上のことから、坂田はアキが心のうちに秘めたやさしさを描けることにつながったと推測している。
姫野役には伊瀬茉莉也が起用されており、楠木によると伊瀬が「公安対魔特異4課ノート」を用意して共演者にアフレコの感想を書いてもらい、直接会えない者とも交流ができるようにしたとされている。
パワー役にはファイルーズあいが起用されており、戸谷はファイルーズが場を盛り上げてくれるため、皆が仲良くなれたとアキバ総研の千葉研一とのインタビューの中で話している。
ポチタ役には、井澤詩織が起用された。
本作の収録に当たっては、キャスト全員に対して監督から「抑揚をつけすぎず、通常の会話と同じような感覚で演技してほしい」という指示が出された。このため、戸谷はアニメ的なイントネーションや抑揚を控え、現実に近いアプローチで芝居に臨んだと千葉とのインタビューの中で話している。楠木も原作を読んでいるとこのようなアプローチをしたいという考えがたくさん出るものの、基本的にはそれを排し、抑揚を抑えた演技になったとワールドプレミアにて述べている。

エンディング・テーマは12組のアーティストが週替わりで務め、エンディング映像も毎週異なる映像になっているなど、アニメ制作における挑戦的な姿勢と強いこだわりが注目された。週替わりのエンディングテーマは監督の中山からの提案であり、自社出資だからこそ実現できたアイデアの一つである。また、回ごとにエンディングの演出を変える必要があり、現場にそれだけの余力があるのかという懸念があったが、関係者から承諾が得られたため、実現できた。

2022年に行われ、150人が投票に参加した「期待度が高い2022年秋アニメランキングベスト13」では3位を獲得した。

オープニングテーマである米津玄師「KICK BACK」はアニメ放送終了後まで続くロングヒットを記録し、Billboard Japan Hot AnimationではLiSA「紅蓮華」を抜き、歴代最長となる17週連続での首位（週間1位）を獲得した。

アニメオリジナルの演出やアニメーターたちが自身のSNS上に担当したカットを掲載していることについて評価する声もあったが、『日経産業新聞』は2023年2月22日付記事にて、同年1月27日に発売されたチェンソーマンのBlu-ray、DVDの売上が想定を大幅に下回る2,000枚程度と低迷していることを指摘。MAPPAの定評ある作画力は評価に値するとした一方、原作から改変された部分やエピソードの取捨選択、アニメオリジナルのシーンに原作ファンが不満を持っているとし、製作委員会主導ではない画期的取組みを否定するのではなく、失敗を踏まえて次に活かすことが望まれると論じた。
MAPPAの社長・大塚学は、「収支においては完全に成功だったといえる」とした一方で、同社が過去に手掛けた『呪術廻戦』と同じようなインパクトは出せておらず、「まだ満足はできていない」と語った。そのうえで、パッケージを購入するなど「お金を払ってくれるターゲット層」に対し、どのようにアプローチを行っていくか模索するとしている。

2022年11月1日から同年11月18日までコラボイベントが開催。

2022年11月23日の第7話の放送中にティザーCMが流される形でコラボイベント開催決定が発表された。その際、運営元のコロプラが第9話までスポンサーに付いた。2022年11月30日から同年12月13日までコラボイベントが開催。