声 - 麻倉もも
本作の主人公の1人。困っている人によく出会う体質を持つ女の子。中学受験に失敗し初登場時は公立中学校の中学2年生。ややつり目で、ストレートの長い紫色の髪が特徴。
困っている人を見ると助けずにはいられない優しい性格だが、たまに人間以外の変わったものを助けてしまうことがある。
裁縫や料理が得意だが、ネーミングセンスが悪いと言われる。高校入試に成功するため勉強をたくさんしている。
学校には仲のいい3人の女友達（アラちゃん〈声 - 真野あゆみ〉、えみちゃん〈声 - 江口菜子〉、みっちゃん〈声 - 伊達朱里紗〉）がいる一方、幼い頃に親戚の森和馬から意地悪をされていた影響で男子が苦手だが、同級生の周防には少しずつ心を許している。また、同じ男の子でも、地底人のちぃちゃんのことは「珍獣」だと思っているため平気らしい。
ちぃちゃん及び宇宙人のうっちゃんと出逢うまでは母の智花と2人暮らしで、父は海外で働いているらしく作中には登場していない（最終回で登場しており眼鏡をかけている）。
原作第25話以降は高校に進学し、演劇部に所属している。

声 - 堀江瞬
夕花の同級生の男子生徒。ひょんなことから、ちぃちゃんのことを知ることになり、夕花とも特別な関係を持つようになっている。
よく妹の遊び相手をしている関係からクレーンゲームが得意。
ちぃちゃん・うっちゃん・ジョーくんの3人を合わせて「へっぽこ3人組」と呼んでいる。
夕花のことが好きで一度告白している。その時点では交際には至っていなかったが、夕花の誕生日会で告白し、プロポーズを経て7年後に結婚した。

声 - 佐藤有世
大和の妹で小学生。
兄を通してちぃちゃんのことを知り、ちぃちゃんを一目で気に入ってよく遊んでいる。また、夕花にちぃちゃんのぬいぐるみを作ってもらったり、うっちゃんが作ってくれた専用の携帯電話でちぃちゃんと連絡を取り合ったりしている。
夕花のことを気に入っており、夕花と義理の姉妹になるべく兄と夕花を結婚させようと画策しているためか、和馬を敵視している。

声 - 島﨑信長、中野さいま（子供時代）
夕花の親戚で夕花の1つ年上の高校生。ちぃちゃん達の理解者。
幼い時から夕花のことが好きだが、小学校時代に彼女の気を引こうとしていたずらをしてきたため、夕花からは嫌われている。夕花の家庭教師をしている。

声 - 名塚佳織
夕花の母。勉強のことに関してはとても厳しい。ちいちゃん達の理解者。
過去走り屋であったらしく、山道を走ると昔の血が騒ぎ、ドリフトなど激しいドライビングテクニックを見せつける。

夕花の高校の演劇部の先輩。虚弱体質なため体力がない。

夕花の高校の演劇部員。
中学までは、ずっと運動部に所属していたため、彼氏がおらず夕花と周防のような関係に憧れている。

演劇部に入部した新1年生。ちぃちゃんを助けたことがきっかけ。しかし、ちぃちゃん達を怖がっていたが、徐々に仲良くなる。
和馬曰く「さわやかイケメン」らしく敵視されている。

ちぃちゃん

声 - 村川梨衣
本作のもう1人の主人公。地上見物から地底に戻ろうとして穴に入れず困っていたところを夕花に助けられた地底人の男の子。体の大きさはクレーンゲームの景品のぬいぐるみと同じぐらいで、ボールのように丸い体型をしている。体の色は黄色。「～でち」と言うのが口癖で、つぶらな瞳の目が特徴。本名は意味不明の地底語（漫画では読者にも読めない絵文字）で口で言っても聞き取れないため、夕花からは「地底人」の頭文字をもじって「ちぃちゃん」と呼ばれている。少しドジで羞恥心の強い性格で、自分の裸を見られると非常に恥ずかしがる。また、夕花と出会うまでは人間を恐ろしい存在だと思っており、夕花と出会ってからも彼女以外の人間には極力存在を知られないよう常に警戒しているが、同居人のうっちゃんに姿を消せるシールを作ってもらってからは比較的自由に外を出歩けるようになっている。
後に友人のジョーくんと再会し、地底人の村へ帰ることは可能になったが、本人は夕花に助けてもらった恩返しをすると言いつつ夕花の家で生活し続けている。
頭の上に生えているアンテナのような触角から光を出し、暗い所でも問題なく活動できる。

ジョーくん

声 - 長江里加
ちぃちゃんの友人。ぶっきらぼうだが友達思いの男の子で、地底人の村から行方不明のちぃちゃんを捜しに来た。地底人であるため、ちぃちゃんと同じ体型をしているが、目がジト目で体の色は緑色。「～じょ」と言うのが口癖であることから、夕花からは「ジョーくん」と呼ばれている。ちぃちゃんと同じく本名は地底語で読者にも読めない絵文字。
夕花にひそかな好意を抱いているが、夕花本人はおろか友人のちぃちゃんにも全く気付かれていない。
三つ子の弟と妹（声 - 伊達朱里紗、江口菜子、真野あゆみ）がいる。

のんちゃん

声 - 豊崎愛生
ちぃちゃんを尊敬する地底人の女の子。何かをデコるのが好き。体の色は桜色。「～のん」と言うのが口癖であるため、夕花から「のんちゃん」という呼び名をもらう。

ちぃちゃんパパ

声 - 黒田崇矢
ちぃちゃんの父。アニメ12話で登場。体の色は黄色で、シルクハットをかぶり、口髭を生やしている。ちぃちゃんと同じく「～でち」と言うのが口癖。
家訓を守って夕花への恩返しに励むちぃちゃんを激励する。もぎ娘のファン。

ちぃちゃんママ

声 - かかずゆみ
ちぃちゃんの母。アニメ12話で登場。体の色は黄色で、エプロンとスカートを身に着けている。ちぃちゃんと同じく「～でち」と言うのが口癖。

記者くん

声 - 内藤玲

フッくん

声 - 小西克幸

ハテナ博士

声 - うえだゆうじ

もぎ娘 / リンちゃん、スーちゃん、ミカちゃん

声 - 江口菜子（リンちゃん）、真野あゆみ（スーちゃん）、伊達朱里紗（ミカちゃん）

ベレーさん

声 - 辻あゆみ

CHITEKO

声 - 木村昴

王子様と姫様

声 - 浪川大輔（王子様）、高垣彩陽（姫様）

地底魔人

声 - 高木渉

スポーツくん

声 - 内田雄馬

カッパ

声 - 戸松遥

コックちゃん

声 - 夏川椎菜

ニンマルくん

声 - 落合福嗣

音楽さん

声 - 遠藤綾

ダンさん

声 - 森久保祥太郎

雪男

声 - 安元洋貴

声 - 黒瀬ゆうこ
ちぃちゃんが来る前に、乗っていた自作の宇宙船が壊れて困っていたところを山登りしていた夕花に助けられた宇宙人の女の子。「うっちゃん」という呼び名は、「宇宙人」の頭文字をもじったもの。身長は夕花よりもずっと低いが、ちぃちゃんよりは高い。体の色はピンク色で髪の毛はなく、瞳のない真っ黒な目が特徴。基本的にはおとなしく内気な性格だが、たまに鋭いことを言う。
手先が器用で、姿を消せるシールや小さくなれるコロン、他人の夢の中に入り込める機械などの不思議な道具を作り出すが、肝心の宇宙船の修理はなかなかうまくいかないと語っている。
普段は何も服を着ていないが、時おり夕花が作った女物の服を着せてもらって喜んでいる。
原作46話で宇宙船の修復が完了し、ちぃちゃんたちとの別れを惜しみつつ故郷の星に帰った。故郷の星では4年間行方不明扱いだったため星じゅうの宇宙人で大騒ぎとなった。当時は宇宙人の学校の学生だったが、猛勉強の末飛び級で研究者になった。しかし研究よりちぃちゃんたちとの日々がいとおしくなり、会いたさを募らせていたがうっちゃんママから背中を押され、地球で研究の地盤を置くことを決意、助手を連れ帰還した。今は佐伯家の地下室に設けた研究室で研究している。寝ぐせが悪く夕花を困らせたこともある。

うっちゃんの助手を務める宇宙人の学生。少し軽薄。
地球に戻る決意をしたうっちゃんと同行し、夕花のところで居候することになった。

声 - 長谷川和也

声 - 合田悠己

声 - 真野あゆみ

声 - 釘宮理恵

「トクベツいちばん!!」（第1話 - 第12話） 作詞 - 谷口尚久 / 作曲・編曲 - KOUGA / 歌 - 麻倉もも 「ツインズ」（第13話 - 第25話） 作詞・作曲・編曲 - HoneyWorks / 歌 - CHiCO with HoneyWorks 「カラフル」（第26話 - 第36話） 作詞・作曲・編曲 - 谷口尚久 / 歌 - 麻倉もも

「トクベツいちばん!!」（第1話 - 第12話）

作詞 - 谷口尚久 / 作曲・編曲 - KOUGA / 歌 - 麻倉もも

「ツインズ」（第13話 - 第25話）

作詞・作曲・編曲 - HoneyWorks / 歌 - CHiCO with HoneyWorks

「カラフル」（第26話 - 第36話）

作詞・作曲・編曲 - 谷口尚久 / 歌 - 麻倉もも

「ハニーアンドループス」（第1話 - 第12話） 作詞 - 仁科亜弓 / 作曲・編曲 - 古川貴浩 / 歌 - 豊崎愛生 「フワリ、コロリ、カラン、コロン」（第13話 - 第25話） 作詞 - 雪沢実花 / 作曲・編曲 - 植松芳裕 / 歌 - 夏川椎菜 「有頂天トラベラー」（第26話 - 第36話） 作詞・作曲 - Q-MHz / 編曲 - Q-MHz、やしきん / 歌 - 戸松遥

「ハニーアンドループス」（第1話 - 第12話）

作詞 - 仁科亜弓 / 作曲・編曲 - 古川貴浩 / 歌 - 豊崎愛生

「フワリ、コロリ、カラン、コロン」（第13話 - 第25話）

作詞 - 雪沢実花 / 作曲・編曲 - 植松芳裕 / 歌 - 夏川椎菜

「有頂天トラベラー」（第26話 - 第36話）

作詞・作曲 - Q-MHz / 編曲 - Q-MHz、やしきん / 歌 - 戸松遥