声 - 曽我部和行
本作品の主人公。遠山探偵事務所の助手として働く15歳の少年。好物は麺類と牛丼で、特にカップラーメンと「牛野家」（「吉野家」のパロディ）の牛丼が好き。祖父の代から大巨神を呼び出すための鍵を受け継いでおり第1話ではそれを取り出して見せている。ドジで臆病で少しエッチで軟弱だがときおり勇気を見せる。ヤットデタマンに変身してミレンジョ一味と戦う。第23話以降からは、ヤットデタマンになるまで自分で作った発明品で戦うことが多かったが（第23話のようにワタルの発明品コーナーが実施された回もある）、ほとんど役に立っていなかった。語尾に「っス」をつけて話すことが多い。名前の由来は「時わたり（タイムスリップ）」。
曽我部は本作品以前にも、『ゼンダマン』で「鉄ちゃん（ゼンダマン1号）」役に決まっており、主題歌のレコーディングにもセリフ入れで参加していたものの、番組初収録前に体調不良となり降板したという経緯があり、本作品で満を持しての主演となった。

ヤットデタマン

「地球のアイドル」を自称する本作品のヒーロー。主な武器はバラ手裏剣とドレミ剣。ドレミ剣は剣先がスタンプの形をしており、突かれた相手は必ず○の中にyの入った赤い印が付く。
コヨミが危機に陥ると、横笛の調べと共に「一気に時を渡り切り」登場する。気弱で消極的かつ少しエッチなワタルの時とは異なり、ヤットデタマンに変身したときは自信に溢れた紳士的な口調や性格となる。
第1話ではカレン姫によって潜在的に持つヤットデタマンに変身する能力を引き出されたかのように描写され、ワタルが「勇気…、勇気…、勇気…」と念ずることでヤットデタマンに変身していた。しかし、第29話にてワタルの念波をカレン姫が未来に中継し、ナンダーラ王国からタイムハヤウマでやってきた「ヤットデタマン変身スタッフ」が時間を早め、スタミナの付く食事と戦闘トレーニング・笛のレッスン、着替えを3秒の間に施すことで変身していることが視聴者に明かされた。ワタル自身はトンカチによる麻酔で意識朦朧状態なので、スタッフに関する記憶は存在しない（第40話ではスタッフが特別にワタルの時間に合わせて、変身させた）。また第1話では大巨神の鍵を何の前触れも無く取り出している（視聴者にも説明が無かった。鍵をワタルから預かったと説明したのは第6話。第1話では、ワタルが慌てて落としていったとコヨミには説明している。）。コヨミと大巨神を召喚する時、セリフに合わせて具象化されたカットインが入る演出が行われる場合もある（鴫野彰演出による一部の回）。
初期は登場時に「Y」の人文字を取って輝くという演出もあった。第42話ではミレンジョに「マタデタマン」、第51話ではコケマツに「ホラデタマン」と呼ばれた事がある。

声 - 三浦雅子
本作品のヒロイン。遠山探偵事務所の助手として働く15歳の少女。頭髪は栗色のきついカーリーヘアであり勝気な性格でワタルを尻に敷いている。カレン姫の話では、コヨミとワタルは将来的に結ばれることになる。
大巨神を呼び出すことのできる錠前を祖母の代から受け継いでおり、ワタルの持つ鍵で開けることで大巨神を呼び出す。武器はリャンケン（両側にグリップのあるレイピア型の剣状武器で剣の刀身にあたる部分には柄に届くと爆発する球体爆弾が備え付けられている）とバトンスター。ただし前半期はコケマツの武器に苦汁をなめさせられることが多く（ワイヤーに絡めとられ電撃を浴びせられたり足元をすくわれたりなど）、『ヤッターマン』とは善悪側の白兵戦時の優劣が逆転していた。第24話ではコケマツのリキッド銃で全裸にされたことまである。
ヤットデタマンに憧れており、その正体がワタルだとは知らない。ミレンジョ姫から「かおわるい子ちゃん」（「かわい子ちゃん」のもじり）、コケマツから「蜂の巣ヘアーの姉ちゃん」、ドンファンファン伯爵から「雀の巣のような髪」と馬鹿にされたことがある（両方とも頭髪を揶揄したもの）。
初期設定ではコヨミもヤットデタマンに変身する設定があった。

声 - 土井美加
ナンダーラ王国の王族で、ワタルとコヨミの遠い子孫の18歳だが、金髪で二人よりも肌の色が白いといった白人的な風貌に加え、名前も西洋風である。王位継承権をコマロ王子と争うことになり、遠い先祖である二人に助けを求めてきた。普段は遠山探偵事務所の屋根裏に隠れて住んでいる。毎回の戦いでは何もしておらず、ミレンジョ達に「立ちんぼ姫」、「3秒間セリフ姫」、「でしゃばり姫」などとおちょくられていたが、後になって特技がスケートボード、新体操、アイススケート、ポケバイと多岐にわたっており、ミレンジョに一撃を食らわすほどの運動神経の持ち主であることが明らかになる。ミレンジョからは一度だけ「ぶりっ子姫」と呼ばれたことがある。超能力で毎回ジュジャクの居所を覚知できる能力がある。最終回ではジュジャクに憑依され、資格なき者の王位継承による王国の崩壊を警告した。

声 - 屋良有作
力士型のロボットでカレン姫の忠臣。球状になって戦うが容姿に反してあまり強くはなく、たいていの場合スカドンに負けてしまう。単体でタイムワープもできる。カレン姫に忠実だが、最終回で彼が姫にお供をしていたのはダーラ仙人の命を受けて姫のお目付け役として動向を監視するためだったことが明らかになる。語尾に「でごんす!」をつけて話すことが多い。力士型ロボットゆえに「どすこいっ!!」を言いながら四股を踏むクセがある。

声 - 阪脩
遠山探偵事務所所長の68歳でワタルとコヨミの上司。元警視庁捜査一課の平刑事で「仏の金さん」と呼ばれていた。江戸っ子気質だが、関西弁を喋る。桜吹雪の刺繍をプリントしたTシャツを愛用している。ワタル達とミレンジョ姫達が住む「タカイマンション」の管理人でもあり、家賃を滞納しているミレンジョ達に家賃を払わせようとするが、いつも失敗している。探偵業を行うときにはつけ髭にハンチング帽を被る。この姿になると強くなるらしい。当初はジュジャクの件は一切知らなかったがカレン姫とダイゴロンとは第13話の時点で不測の事態で顔合わせをしている（その時はワタルに「海外の知人」と「荷物入れ」として紹介されていた）。
第41話では家賃の取り立てに向かった際にミレンジョ達がジュジャクピューターを操作する現場を目撃、更に第50話においてタイムラクーダに密航する形で一味の後をつけ初の時間移動を経験、続く第51話ではタイムナガモチにしがみつき気絶しつつも後を追っていった。これらの事を通じて最終回ではカレン姫とダイゴロンが屋根裏に隠れ住んでいることにも気づいていた。

声 - 小原乃梨子
スカプラ王朝の末裔。27歳。言葉遣いは普段は上品なお姫様口調で「～ゾよ」が口癖。一人称は基本的に「わらわ」だが、興奮すると下品な口調になり、一人称も「あたし」に変わり、お色気シーンも披露。またメカ戦で盛り上がった時にコケマツがやる「今週の目玉ァ!!」を、自分がウルウルの瞳を出して「今週のおめめ～」とやった事が4回ほどあった。賄賂を使いまくったために財政を破綻させてしまい、貧乏生活を余儀なくされているが、プライドだけは失っておらず、一族の復活とナンダーラ王国の事実上乗っ取りを画策し、弟のコマロをナンダーラの王位に就かせようとする。コケマツとスカドンに対してはそれぞれ「コケ」「スカ」と省略して呼ぶことが多い。ドンファンファン伯爵とは恋仲である。
毎回恒例の大巨神のとどめから逃れるための猿芝居では、他のメンバーが失言しそうなのを必死でなだめるなど努力はするが、本人の短気な性格やドンファンファン伯爵への贔屓がコケマツの反感を買うなどして罵倒合戦に発展し、結局は自分で大巨神の悪口を言ってしまうことも多々ある。
変わり者ぞろいの住人たちが跳梁跋扈するワタルたちの住んでいる「タカイマンション」の地上底辺階に「A,タクラミー」の名前で部屋を借りて住んでいるが家賃は滞納したまま。
最終回において、ナンダーラ王国でジュジャクを捕えるが強引に戴冠式を行ったことで王国を崩壊させてしまい、結果的に一味と共に王国を去る事になった。

声 - 八奈見乗児
ミレンジョに財務と食料調達係として仕える男で、まん丸の目でヒゲがなく、長い逆三角形の輪郭とピノキオ風の長い赤鼻と長いもみあげと河童の頭に似た禿げ頭が特徴的な27歳。
ミレンジョの弟のコマロを王位に就かせるべく暗躍する。一人称は基本的に「小生」だがたまに「俺」や「アタシ」になる場合も。ドンファンファン伯爵が嫌いで彼に対して嫉妬の炎を燃やす。メカニックの主担当でジュジャクの居場所をサーチする「ジュジャクピューター」の製作者であり、この機械は彼にしか扱えない。主に物語の前半では各巨大メカに内蔵された「コケマツ軍団」（または「ジュリー・コケマツ闇の軍団」とも呼称される）というゾロメカのような小型攻撃メカ集団を操って大巨神に攻撃を仕掛ける。物語の中盤以降でメカは未来の国にいるタヌキ村の「トンテンカン鍛冶屋」に発注して製作させていたことが判明する。トンテンカン・タヌキという名の鍛冶屋の親父が亡くなり、腕の悪い息子のトンテンカン・テヌキに代替わりした事で一層メカの質が落ちてしまったが、コケマツは代替わりしていた事に気づかなかったようである。ボタンを押す際にはよく「コケっとな」または「コケっと！」という。OPラストの台詞は「いつまでもそういう格好させないからな!」（この後、顔面にパイがぶつけられる）。
一味の中でも口が達者なため猿芝居ではミレンジョとともによくメインを張るが、調子に乗って口を滑らせる頻度も高く、彼一人のせいで大激怒を食らう結果になった回も多い。また、ドンファンファンの厚遇に不満を抱くあまりミレンジョとの罵倒合戦になり、そこで不用意に大巨神の悪口を口走るという展開も多く見られた。
猿芝居以外では基本的にはミレンジョ達には従順に従うが苦労人だけあって数々の不満も抱える苦悩人の一面もあり、第34話では不満が爆発し、主に伯爵に対し怒りの矛先を向ける形で逆上した事がある。この時「てめえら人間じゃねえ! 大巨神だ!!」とわめいていた。
『タイムボカン王道復古』では、「唯一顔の違うキャラ」であることを気にしていた。
なお、被ってるヘルメットは「ポリグラメット」と言うポリグラフ内蔵のヘルメットで、感情によってランプが光るようになっており、第1話で原始時代にタイムスリップした時、コケマツのランプが光っていた。

声 - たてかべ和也
ミレンジョの側近の大男。片言の英語と片言の関西弁を喋る謎の多い人物。30歳。スキンヘッドで、大抵の場合、ハンチング帽あるいは河童頭風のカツラを着用している。眉毛が無く前歯の一部が抜けており、もみあげの下からアゴにかけてヒゲを生やしている。ミレンジョの弟のコマロを王位に就かせるべく暗躍する。一人称は主に「ミー」だが、たまに関西弁が入る場合には一人称が「ワイ」になる。またずっこけた時にミレンジョ達が「コケー!!」と叫ぶと、「ホケー!!」もしくは「ホケキョー!!」と合いの手を入れる事がある（後者は、西川のりおのギャグのパロディ）。
怪力・柔軟性・耐久力などで常識外れの肉体を持ち、過去作の同ポジションのキャラクターと比較しても非常に見せ場が多い。中盤からは彼の能力を見せる「スカドンの奇人変人コーナー」が登場するようになる。唐突に始まり本筋と無関係な物も多いが、第18話の「金庫をライターを食べて火を吐く芸当で破る。」、第38話の「火のついたダイナマイトを飲み込んで味方を巻き込まないようにする」など、ストーリーに関わる場合も時々ある。
口数の少なさから猿芝居の際にも大巨神の悪口を直接言うことはあまりないが、ミレンジョたちと同様に面従腹背を態度に出すので彼にも大激怒は下される。
リメイク版『ヤッターマン』の第26話においてゲストキャラとして登場。

声 - 山本正之
ミレンジョを慕い一行に同行するキザが似合う伊達男。初登場は第2話。ミレンジョ達と寝食を共にしているわけではなく、未来から専用タイムマシン「タイムローバ」で足繁く一行のもとに通っている。第20話以降は秋田県の民謡「ドンパン節」を替え歌にしたテーマ曲を歌いながら登場するようになる。また、第41話などではコーラス隊さながらにミレンジョ達と一緒に歌っていた事もある。その場合は様々な音律に変化する。
伯爵だけあって金持ちであり、彼女達の家賃を立て替えたりしたり（第2話）、スポーツも万能で数々の大会で優勝し、大会で獲得した賞金をミレンジョ達の食費として貢いでいた（第31話）。しかしコケマツやコマロには「来たな貧乏伯爵」などとも言われている（1度、コマロに「マンションを買ってくれ」と頼まれたが「流石にそれは無理」と断り、財力にも限界があるようである）。毎回ではないがミレンジョ達の戦いに同行し、巨大メカに乗り込む際にはコマロを膝に抱いてコマロの席に搭乗。
基本的には勇敢で女性や子供に優しい紳士だが、ミレンジョたちと一緒になって大巨神の悪口を言うなどの心の狭い発言や、空気を読まない行動を取ることも多い。戦いに参加しない回では必死で大巨神をなだめたミレンジョたちの意図を知らず途中合流して大巨神の怒りを買う行為に走り、猿芝居参加のケースでもミレンジョが熱を上げるような役回りがコケマツの嫉妬を煽り、結果的に猿芝居をぶち壊す原因になっている。また第20話ではタイムローバの故障で一足先に現代に逃げ帰ったミレンジョ姫らの後を追い損ねて、更に先に帰ったミレンジョらが言いたい放題放った大巨神の悪口を通信機を通して聞かれたことで、帰還時に1人だけ大激怒を食らったこともあった。
最終回で、ダイゴロンと同じくダーラ仙人の命を受けてミレンジョ一行のお目付け役として動向を監視していたことが明らかになる（第33話にてダイゴロンと入れ替わりにナンダーラ王国を出発するなどの描写があり、片鱗が明かされている）。しかしミレンジョに対する恋心は本物であり、最終回において正体が明らかになった後、王国が天変地異による崩壊に見舞われたことにより新天地へ旅立ったミレンジョ達の後を追うように王国を去った。
『タイムボカン王道復古』でも歴代山本キャラとして出演。

声 - 丸山裕子
ミレンジョの弟でスカプラ王朝末裔の7歳児。幼いながらもカレン姫同様正当な王位継承候補者である。コケマツ同様、河童の頭に似た禿げ頭をしている。王位に就くために姉一行と共にジュジャクを追う。貧乏なため、いつもひもじい思いをしている。洟垂れ小僧で甘ったれな性格だが、男前な仮面（「キャシャーン」の顔に似た仮面）を携帯しており、何かにつけて格好つけたがる背伸び屋でもある。この仮面を付けている時は一人称が「余」になり、口調もナンダーラ王国の次期王位継承者候補らしく凛々しいものになるが、普段は一人称は「まろ」で、だらしの無い口調で語尾に「なのら」をつけて話すことが多い。姉ミレンジョのことを「おねえたま」と呼ぶ。
序盤ではメカ戦で負けた後、猿芝居でやっとなだめた大巨神に要らぬ一言を言ってしまう事が多かった。最終回において一味がジュジャクを捕えた事で新国王の座に就くが、結果的に王国の崩壊を招いてしまう。
リメイク版『ヤッターマン』の第33話においてコマロ王子と顔が似ている豊臣秀頼が登場しており、男前な仮面も所持していた。母親の淀殿のことを「おかあたま」と呼び、「蒲鉾所望なのら」と話す等、セリフも似ていた。この時の声は瀧本富士子が務めている。

声 - 富山敬
毎回、大巨神と悪玉メカとの戦いの場に「あっちでボソボソ、こっちでボソボソ」のフレーズでどこからともなく現れて中継を行うレポーター。名前は笹川総監督の苗字のもじりで、マイクに向かって本当にヒソヒソとささやいて中継する。小山カメラマンが登場する第14話までは一人で登場しており、時代と場所に合わせて衣装を変えていた。また、中盤以降からは"メダチタガニ"というおじゃまキャラが登場したびたび彼等達の中継を邪魔することも。なお、ささやきレポーターと小山カメラマンは共に次回作の『逆転イッパツマン』にもゲストキャラとして数回登場している。『タイムボカン王道復古』や『ヤッターマン（リメイク版）』『夜ノヤッターマン』にも「ササヤキレポーター」として登場している（富山没後の『ヤッターマン（リメイク版）』は徳本恭敏が、『夜ノヤッターマン』第5夜は矢部雅史が担当している）。

声 - たてかべ和也、小滝進
ささやきレポーターとコンビで登場するカメラマン。大柄で顔は天を突き抜け、決して映らない。たまにカメラが上にパンするときもあったが、雲が肩の辺りまで低くかかっていたり、モニター画面には自身の鼻の穴しか映っていなかったりモザイクを被せられたりしてやはり顔が映らない。モデルは脚本及びシリーズ構成を担当した小山高生で、実際に小山は身長が194センチもある（本人いわく「アジア最大の脚本家」）。セリフは一言も発しないが、ごくまれに悲鳴を上げることがあった。

声 - 永井一郎
ナンダーラ王国の霊山･スーザに住む謎の老人。第30話で物乞いとして登場、カレン姫からは金銭を受けたが、コケマツにはその金銭を取りあげられた。
その正体はジュジャクを操ってナンダーラ王国の真の王位継承者を選んでいた仙人。1000年以上前から代々の国王に対して試練を与えてきた。作中でもカレン姫の側にダイゴロンを、コマロ王子の側にミレンジョの恋人でもあるドンファンファン伯爵を派遣して、それぞれの動向を監視していた。本拠地においては仮面をつけた長身の男性の姿を取っているが、実はハリボテの上竹馬に乗って身長をごまかしていた。

鳳凰に似た鳥で、本作品における「探しモノ」である。生物・無機物を問わずあらゆるものに変化でき、時間を自由に行き来できる能力を持つ。更には天候を操ったり地質や水質を改善したりするなど神がかり的な能力を見せる時もある。
ナンダーラ王国では王位継承の証として、このジュジャクを捕まえることが条件とされている。しかし、気まぐれに時空を移動し、予想もつかない姿に変化していることがほとんどで、捕まえるのは至難の業である。
名前は脚本を担当した小山の命名であり、その由来は「ク（9）ジャクよりも美しい不思議な鳥ということで、9の上で10ジャク」であるという。

声 - 富山敬
前作の流れを受け、本作品でも「解説しよう」「解説せねばなるまい」を多用している。各話のエピローグ部分では「ジュジャク　ジュジャク、どこにいるのかジュジャク　誰（たれ）かジュジャクを知らないか（第28話までと第31話。29話以降は「だれか」に変更）」と言って締めるのが定番のパターン。前作同様にサブタイトルの読み上げや次回予告のナレーション（「さあて、驚き桃の木 次回の予告だ。～あ、ずずずい～と 見なきゃ損だよ」が毎回のパターン）も担当。

声 - 田辺宏章 / 茶風林（ボカンですよ） / 宝亀克寿（ボカンGoGoGo）
ヤットデタマンとコヨミが鍵と錠前を掲げ定番の台詞「驚き桃の木山椒の木、ブリキにタヌキに洗濯機、やってこいこい大巨神」を唱え、2つを合わせる事で大馬神殿から時空ゲートを超えて出現する巨大ロボット。召喚時は後述の巨神号の状態で現れ変形して人形を取る。操縦は主にヤットデタマンのレバー操作と口頭による指示で行なわれるが、意志を持っている分、時おり指示に反することもある（38話、最終話など）。中盤の20話以降は変形シーンそのものが省略されて登場するケースが多くなった。
エネルギーは太陽光線であり背中の炎状のプレートから吸収している（第32話）。OPでは登場する歌詞の部分のシーンにこのプレート部が赤熱する描写がある。
武器は脚部（弁慶の泣き所）に収納された剣（大巨神天地一文字斬りや縦十文字斬りが得意技）と弓矢、ジャベリン（デザイン的には戦斧の方が近い）で、剣を使用するときは膝の位置に出ている柄に手をかけて引き抜く。また、背中についた赤い炎のような形をした部分から大巨神熱線を放ったり全身から放電することもできる。
自我を持ち自分の意思で戦闘を進めるが、「罪を憎んで、人を憎まず」をモットーとしており、慈悲深い（自称）ため、毎回戦闘不能状態になったミレンジョ達の反省して悔い改めたという猿芝居にとどめを刺さず一旦は立ち去るも、もう大丈夫と安心したミレンジョ達が陰口（偏平足、ウドの大木、鉄くず、鉄の塊、スカポンタン、スカピーマン、化け馬、豆腐の角でコブ作れ、など）を叩くとそれを聞き付け、額の日輪のマークがブザーと共に点滅すると怒りが蓄積され、3回になり頂点に達すると、「仏の顔も三度」とばかりにとどめの一撃「大激怒」を食らわせる（ただし第1話では当時の流行語に因んで「怒ったぞォ!!」。また第24話では「大逆上ォ!!」、第26話では「偽りの心、許せん!!」）。
悪口には非常に敏感で、どんな小声でも聞き逃さない。特に偏平足を気にしており、これに触れると即座に大激怒を下す。さらに会話の文脈を無視して悪口にのみ反応するため、ミレンジョたちには悪気がなかったにもかかわらず不注意で口走った言葉のせいで大激怒を食らうことも多々あった。また、目から発する光線により、言葉に出さない悪口や態度を暴き出すことができる。回によっては大巨神が消えた後に悪口を言ったり、大巨神の人形を引っ張ったりするなどして侮辱すると「やはり偽りだったか！」と地面の下や背後から現れて大激怒を下したり、ワイヤレス盗聴器を仕掛ける（第12話）など、最初からミレンジョたちを信用しておらず、ボロを出すのを待ち構えている節も見られた。物語後半では、一応猿芝居を見るものの、ミレンジョ達が役に入り込みすぎて喧嘩になり、反省や命乞いにすらなってない事に呆れて大激怒を下す事もしばしばあった。
大激怒を下す場面では、物語の序盤および後半は主に大馬神の姿で弓矢による一撃で、中盤は主に大巨神の姿で剣による一刀両断で大激怒を下すことが多い。また、剣やジャベリンを投げつけたり、大馬神の足で蹴り飛ばす、相手の誘導式ミサイルを投げ返すこともある。このように戦闘とおしおきを担当するといった複数の役割を持っている。また第23話では悪玉側がほぼ完全に気絶していたため大激怒を下さずに帰った。
毛穴と涙腺が存在しており、自身がピンチになったり感動した時などに、人間が汗をかいたり涙を流したりするのと同じように、毛穴からはオイル、目からは冷却水を出す仕組みになっている。さらに、自身の装甲が敵からの激しい攻撃によってボロボロになったり酸攻撃などで錆に侵されたりする直前で大巨神自らその装甲をパージして骨格（フレーム）だけの状態で戦うこともある。合体には腰ブロック部分が大天馬とのロックの役割を果たすが、パージ後も合体は可能でその時は膝部分で直に合体している。初パージは第32話。
第4話以降数話の間は大天馬や大馬神と共に登場時に名前がテロップ表記されるようになった。
最終回には崩壊する王国の人々を無事に避難させるために召喚される。この時には「ここがこの身の捨て所」と言って召喚された。
『タイムボカン王道復古』では、コケマツが他チーム妨害の秘策として、ヤットデタマンから借りたという設定で登場する。 巨神号（きょじんごう） 大巨神の飛行形態。大馬神殿にはこの形態で待機しており発進して直ぐ大巨神になる事がほとんどだが稀にこの形態のままで空中戦を演じる事もある。主な武装はつま先に収納される機首部に供えられた左右各三門のランチャーから発射されるミサイルなど。 作画のコンテミスで変形時に大巨神のつま先に収納されるはずの機首が伸びてから変形するシーンがある（直後につま先は縮んだ状態で足首の変形を完了している）。 大天馬（だいてんば） 大巨神がピンチになると内部に乗り込んでいるヤットデタマンが出す指示に従い口笛で呼び出すペガサス型のサポートメカ。1話ではヤットデタマンは大巨神に教えられることで初めて指示を出している。召喚装置は大巨神の額部にありこれをやられると大天馬を召喚できなくなる（第33話）。喚び出した後すぐに大巨神と合体し後述の大馬神になって戦う事が多いが、第12話などのように喚び出されても最後まで合体しなかったケースも稀にある。後脚の蹴りで攻撃する以外に口から火炎放射を行う場合もある。 首を収納し前後脚を折りたたみ後脚部と腹部からクローラーを露出させ馬の頭部と入れ替わりに現れる砲塔より二門の砲身をせり出させることで戦車形態にもなれる。またこの形態時、前脚バルジの円盤は車輪として使用される。戦車形態の登場は第11話から。 大馬神形態の時に沼に落とされるなどして行動不能になった場合には大巨神のみ分離し切り捨てられる事もあった。 大馬神（だいばじん） 大巨神が膝から足を折り曲げ背中側へ回して背部炎状パーツを収納し「大巨神 スーパードッキング　オン」の掛け声で大天馬と合体したケンタウロス型の半人半馬形態。合体に伴う脚部の変形シーンは第11話より玩具に準じた関節部が描かれるようになる。 主な武装は大巨神に準ずる。前脚バルジの円盤を大馬神形態の盾として使用する事もある。 戦車形態に変形した大天馬と合体して大馬神戦車になる場合もある。この場合は車体前部の二門の砲身は砲塔ごと基部より分離して前部に装備される。 大馬神殿（だいばしんでん） 巨神号及び大天馬が格納待機されている、ナンダーラ王国の海に浮かぶ孤島にある秘密基地。各メカは発進した後に時空移動をするため出現時には異空間より出現するように見えている（第30話）。時空間よりの出現時にはそれぞれ別々のスキャニメイト演出がなされている。現出時の観音開きの扉は『ポールのミラクル大作戦』に登場する空間移動の扉のオマージュになっている。扉の場面は第21話からはより異空間的な演出がなされるようになった。 最終回において、王国の天変地異のあおりを受け大巨神を発進させた後海の底に沈んだものの、無事に大天馬を発進させている。

巨神号（きょじんごう）

大巨神の飛行形態。大馬神殿にはこの形態で待機しており発進して直ぐ大巨神になる事がほとんどだが稀にこの形態のままで空中戦を演じる事もある。主な武装はつま先に収納される機首部に供えられた左右各三門のランチャーから発射されるミサイルなど。
作画のコンテミスで変形時に大巨神のつま先に収納されるはずの機首が伸びてから変形するシーンがある（直後につま先は縮んだ状態で足首の変形を完了している）。

大天馬（だいてんば）

大巨神がピンチになると内部に乗り込んでいるヤットデタマンが出す指示に従い口笛で呼び出すペガサス型のサポートメカ。1話ではヤットデタマンは大巨神に教えられることで初めて指示を出している。召喚装置は大巨神の額部にありこれをやられると大天馬を召喚できなくなる（第33話）。喚び出した後すぐに大巨神と合体し後述の大馬神になって戦う事が多いが、第12話などのように喚び出されても最後まで合体しなかったケースも稀にある。後脚の蹴りで攻撃する以外に口から火炎放射を行う場合もある。
首を収納し前後脚を折りたたみ後脚部と腹部からクローラーを露出させ馬の頭部と入れ替わりに現れる砲塔より二門の砲身をせり出させることで戦車形態にもなれる。またこの形態時、前脚バルジの円盤は車輪として使用される。戦車形態の登場は第11話から。
大馬神形態の時に沼に落とされるなどして行動不能になった場合には大巨神のみ分離し切り捨てられる事もあった。

大馬神（だいばじん）

大巨神が膝から足を折り曲げ背中側へ回して背部炎状パーツを収納し「大巨神 スーパードッキング　オン」の掛け声で大天馬と合体したケンタウロス型の半人半馬形態。合体に伴う脚部の変形シーンは第11話より玩具に準じた関節部が描かれるようになる。
主な武装は大巨神に準ずる。前脚バルジの円盤を大馬神形態の盾として使用する事もある。
戦車形態に変形した大天馬と合体して大馬神戦車になる場合もある。この場合は車体前部の二門の砲身は砲塔ごと基部より分離して前部に装備される。

大馬神殿（だいばしんでん）

巨神号及び大天馬が格納待機されている、ナンダーラ王国の海に浮かぶ孤島にある秘密基地。各メカは発進した後に時空移動をするため出現時には異空間より出現するように見えている（第30話）。時空間よりの出現時にはそれぞれ別々のスキャニメイト演出がなされている。現出時の観音開きの扉は『ポールのミラクル大作戦』に登場する空間移動の扉のオマージュになっている。扉の場面は第21話からはより異空間的な演出がなされるようになった。
最終回において、王国の天変地異のあおりを受け大巨神を発進させた後海の底に沈んだものの、無事に大天馬を発進させている。

タイム街道を往来する際に使用するカレン姫専用のタイムマシン。形は日本の時代劇の駕籠を現代的にしたもの。脚部はバネになっており、バネを上下に振幅させる事によって時間移動に入る。中央のカゴの部分に姫とダイゴロンが搭乗。前方の担ぎ手ロボにワタル、後方の担ぎ手ロボにコヨミが乗り込み操縦する。出発時はダイゴロンが「タイム街道待ったなし」の後に続けて、時代劇等で大名行列が往来を通り過ぎるときの先導の旗持ち同様に「下にー、下にー」といった後、コヨミとワタルによる相撲の行司が取り組み開始の際に行う掛け声「はっけよい、のこった」で出発する。この掛け声は掛け手が時々変わり「待ったなし」をカレン姫が言ったりコヨミやワタルが1人で全部言ったりする場合もあった。

ワタルをヤットデタマンに変身させる「ナンダーラ王国科学アカデミー変身スタッフ」の使用するタイムマシン。ワタルが変身するための「勇気…」の念に反応してやって来る。

声 - 横尾まり
ジュジャクのがどの時代にテレポートしたのかを追跡調査するコンピューター。ジュジャクがテレポートする際の時空の歪みをトレースして、四次元座標に表示する。製作者のコケマツにしか使えないはずだが、何度かミレンジョが使用したこともある。

ミレンジョ一味が搭乗するヒトコブラクダ型タイムマシン。全長4メートル。頭部と胴体のコブ状の部分が座席になっており、頭部にコケマツとスカドン、コブ状の部分にミレンジョとコマロが搭乗する。胴部のコクピットハッチは下腹部がフレームで上下するリフト型だが、頭部の搭乗方法は首部分が開き階段状になるもの。時間移動に入るシステムはタイムカーゴと同じものだが脚部のバネはタイムカーゴの物よりはるかに長く大型である。ミレンジョの口上で出発する。

巨大メカを運搬するタイムラクーダの付属メカ。長持の下から複数の足が生えたデザインで、無人機である。タイムラクーダの後を追って時間移動をする。内部にはナンダーラ王国郊外のトンテンカン鍛冶屋からダイレクトに部品が転送されてくるメカニズムが詰め込まれており、コケマツの複雑なリモコン操作でメカの部品が送られてくる（このシステムについては第23話にて視聴者のファンの質問に答える形で解説されていた）。第20話よりミレンジョがおかめのお面を、コケマツがひょっとこのお面を手に取って、「イチジク人参山椒の木、ゴボウに泥棒バッテン棒、やってこいこい巨大メカ、ぶっちゅ～」と唱えお面を接吻させることで巨大メカを呼び出すというヤットデタマンの大巨神を呼び出す際のスタイルにそっくりな儀式を行い、タイムナガモチから部品を取り寄せるようになった。

ドン・ファンファン伯爵専用の小型タイムマシン。タイムハヤウマと異なるデザインである。

第1話から第12話に登場した、ミレンジョ一味の戦闘用巨大メカ。野球・陸上競技・ボクシングといったスポーツ選手をモチーフにしている（ただしゴングメカ･ストップウォッチメカといった、直接選手そのものではなかったものもある）。最初から巨大メカ自体が戦わず、体内からミニメカ（『ヤッターマン』のビックリドッキリメカのような物）を出してダメージを与えてから戦った。また大巨神の剣で斬られても爆発せず、本体がバラバラになる程度だった（爆発は「大激怒」の時）。そして「大激怒」を喰らってからは、やられ歌を歌いながら退散するのが毎回のパターンだった。

第13話から第22話に登場。偉人といっても、シラノ・ド・ベルジュラックをモデルにした「シラン・ヨ・ベルジュラックメカ」（第15話）や、ダルマをモデルにした「ダイダルマー」（第20話）のように、元ネタをアレンジしていないのもあれば、ダルタニアンをモデルにして、合金製の樽で作った「タルタルヤン」（第21話）のように、アレンジしているのもあった。この時期になると、やられ歌を歌わない事が増えてくるようになる。

第23話から第38話に登場。赤ずきんをモデルにした「赤ずきんちゃんメカ」（第24話）や、西遊記からヒントを得た「大孫悟空メカ」（第27話）のように、話の主人公やそれに関係するものがモデルとなっている。中には、かぐや姫をモデルとしたのに、トンテンカン鍛冶屋の手違いで誕生した「家具屋締めメカ」（第28話）や、元ネタはピノキオなのに、アブドラ・ザ・ブッチャー風になった「ピノキオと木の妖精メカ」（第33話）のようなのも出てきた。ただしメカ自体の性能には目を見張るものもあり、第24話の赤ずきんちゃんメカには「自動操縦システム」が組み込まれておりミレンジョ一味が寝ている間に負けていたり、時には大巨神を敗北寸前にまで追い込んだ事もあった（その場合はメカの能力を過信したりしたことが主な敗因）。第31話には「八岐大蛇メカ」がファンファーレメカの代わりにファンファーレを奏でた事があった。

第39話から第51話に登場。世界中の様々な怪物がモデル。雪女・スフィンクス・九尾の狐といった有名なものから、座敷童子やグリフォンといった、当時余り知られていないものまで登場した。中には、モアイを人間風にアレンジした「モーイヤーメカ」（第43話）や、ゴーレムをヒントにしながらミレンジョ姫がモデルとなった「魔人ゴムーレ」（第47話）といったのも登場した。
なお、これらの巨大メカの搭乗は、（一部を除き）尻から発生する吸引ビームによって搭乗する仕組みとなっている。ミレンジョはこの方法が「汚い」と気にいらないらしく、中盤からはコケマツの「ではお尻から入りましょう」という台詞に対し、ミレンジョが「『乗車口』とお言い!」（第30話）や、「お尻じゃない所から乗れないのかい、もう!」（第33話）などと文句を言い返す事が多くなった。また、大巨神の真似をして呼び出す場合には大巨神同様に具象化されたカットイン動画が入る様な場合もあった（その時は大巨神のシーンでは具象化されたカットは入らない）。

声 - 横尾まり
着物を羽織ったカブ（野菜）型のメカ。悪メカの爆発直前などに現れ、「愚か…ブ」と台詞をつぶやく。本作品では主につぶやいた後お辞儀をする場合が多いが、第40話での登場時などのように扇子を広げるポーズをとる場合もある。第32話などに登場。

声 - 小原乃梨子、丸山裕子、植竹真子、横尾まり
コケマツが「今週の山場」を宣言すると現れる、カエルの顔をした8匹のオタマジャクシ型メカ。ドレミの音階で「ドレミファソラヤレ ドシテモヤラレル」の歌を唄った後にため息をついて去る。

ドレミファお玉の親ガエルバージョン。第13話が初登場、後半部分が「マケタラカエロウ」になっている。

声 - 山本正之
ドレミファオタマのブタバージョン。第14話で初登場。

ドレミファオタマの口バージョン。第29話にて初登場。

ドレミファオタマのツクシバージョン。第30話にて初登場。

男性3名女性1名のロボットコーラス隊。女性コーラスがオチを担当する。初登場は第16話。
第23話では女性4名によるバリエーションが登場、4体ともカンカンダンスのようにお尻を向けてオチを取った。

声 - 屋良有作
「デルデルボーズ デルボーズ 今度が決定ゲタになぁ〜れ」と歌いながら、履いているゲタを飛ばして戦局の行く末を占うてるてる坊主型のメカ。片足だけのようだが、第31話で両足がある事が判明している。
第13話からはスタッフや応募してきた視聴者が歌う場合もあった。その時は「今度の戦いど～なる」や「明日天気になあれ」などと歌った。
なお、第25話では飛ばすべき下駄をはき忘れる、第31話では酔っぱらって長靴を履くという失態を犯している。また第34話ではドレミファオタマの代わりにファンファーレを担当した事がある。

声 - 植竹真子
おだてブタから発展した雌ブタ型のメカ。よく誉め言葉に反応して「能あるブタは鼻隠す」と言い、樽の中から現れる。バリエーションが多い。第21話には「能アリブタ」とクレジットされた。

作詞・作曲 - 山本正之 / 編曲 - 乾裕樹 / 歌 - 屋良有作、ピンク・ピッギーズ
インストゥルメンタル的に使用された。

作詞・作曲 - 山本正之 / 編曲 - 乾裕樹 / 歌 - 山本まさゆき、ピンク・ピッギーズ

作詞・作曲 - たきのえいじ / 編曲 - 小笠原寛 / 歌 - 曽我部和行、三浦雅子
今田裕子とTOMOのボーカルによるオリジナル版は未使用。

作詞・作曲 - 山本正之 / 編曲 - 服部克久 / 歌 - 山本まさゆき、ビクター少年民謡会

作詞・作曲 - 山本正之 / 編曲 - 乾裕樹 / 歌 - 山本まさゆき
全シリーズでも数少ないバラード調の楽曲。

作詞 - たきのえいじ / 作曲 - 津田義彦 / 編曲 - 小笠原寛 歌 - 藤井健
劇中未使用。