日本某所にある、私立咲坂高校に通っている少年。
MITの数学科をわずか15歳で首席卒業しながら、大学の所有する研究機関への道を自ら辞した過去を持つ。MIT在学時の研究テーマはゼータ関数、およびその周辺領域の証明である。その才能ゆえに、人と違った生き方をしてしまったため、自らの人生に疑問を抱いて大学卒業後、現在の学校に再編入した。
完璧主義者であり、「（論理的な）理不尽」を見過ごすことは決してなく、厳しく指摘を入れていく。基本的に人間の感情の機微には疎く、加えて善意でしたことが周囲から曲解され悪意になって自分に跳ね返ってきたために、人との付き合い方に難点を持ち、それがコンプレックスとなっている一面を持つ。高校へ編入してからもその経歴や性格から変人扱いされることもあった。反面、人の思考・心理を「論理的」に追求することには長けている。
普段は何事にも冷静で理性的な性格。基本的に様々な事件や物事には無関心な態度を取るが、自身の意思に関わらず幾度も事件に関わっていき、揉め事が起きたときはそれを解決するトラブルシューター的な役割を担っている。また自身が事件の当事者である場合は時に一人で抱えこんで行動をすることもある。他人への感情はドライに見えるが、可奈の父親の幸太郎からお年玉をもらったりした際には、困惑したような表情を浮かべたのちに恩返しのような形で事件解決に協力するなど、本質的には人嫌いではない様子である。
ソフトウェア関連会社へクラッキングできる程の高度なプログラミング技術を有している。初期（コミックス2巻あたりまで）は眼鏡をかけることもあったが、現在は使用していない。数学以外の分野にも造詣が深い多趣味な一面もあるが、体を動かすのは得意ではなく運動全般は苦手（ただしプールの底で考え事ができるほど肺活量は優れる）。非常に音痴で、彼の歌は聞く者を苦笑、失笑を超えて石化させる程のレベルである。
大学時代に様々な特許を取得しており、プールもついている程のマンションに一人暮らしをしており生活には全く困っていない（ロキ（後述）曰く、その気になればまだまだ稼げるらしい）。部屋は本と情報機器であふれており、それだけでは飽き足らず近くに貸し倉庫も持っている。それは実の妹をして「本とガラクタで人が泊まれるスペースが無い」と言わしめるほど。
聞き込みや調査は可奈にまかせ、自分は思考に集中し推理するタイプの安楽椅子探偵。「事件の解決」よりも「理屈に合わないことの真実を暴く」を目的として推理している。そのため殺人を含めた事件の犯人を咎めず、見逃すエピソードも多い。
作中で想が「Q.E.D.」の文字を示したら、その時点より先のストーリーは事件の解決編に移る（初期の作品以外では想自身が記さず、一種の比喩や効果・寓意として登場することが多い）。決め台詞は一通りの推理を終えた後の「以上、証明終了です」。
『Q.E.D. iff ―証明終了―』では、あまりの本の多さに管理会社に警告され、洋風の一軒家に引っ越した。本人は本を減らしたと言っているが可奈やその友人が見た限りでは全くといって良いほど減っておらず、可奈から「つがいのハムスターか！」と突っ込みを受けた。

想の同級生で数少ない友人の1人。
男勝りで行動力が人一倍どころか“人五倍”はある健康優良おてんば娘。おてんば具合を知らない男性からはかなりの美少女に見える。
料理が上手で、想に手料理をごちそうすることもある。他の家事（掃除や裁縫など）の腕は未知数だが、自室はかなり綺麗に片付いている。
想とは同級生であるが元々互いにまったく接点はなく、ゲームセンターでトラブルに巻き込まれかけたのを彼女が助けたことで存在を知り、可奈の友人が巻き込まれた事件を想が解決したことがきっかけで関係が始まる。当初は想の言動に困惑することも多かったが、様々な事件や経験を経て全幅の信頼を置くようになった。想への気持ちは本人曰く「まだこの気持ちに名前がついていない」とのこと。ただし想との関係を茶化すと鉄拳が返ってくるため、クラス内ではその話題はタブー扱いされている。
想にとっては、クラスメートなど他者との接点を（頼みもしないのに）積極的に繋げてくれる、かけがえのない友人で、自らの犠牲を厭わずに身を投げ出せる「大切な人」であるが、想自身にはその自覚は薄い。しかし、可奈に露骨に言い寄ろうとする人物には心ひそかに「ヤキモチ」を焼くことがある。
性格は、好奇心旺盛な世話好きで、困っている人を見ると放っておけないタチ。子供のころから自身の行動に身近な人間を巻き込みたがることが多く、想を引っ張り回すこともしばしば（無理やり想の口に卵焼きを突っ込み、代償としてスカイダイビングに付き合わせたことも）。それ故に落とし物を届けた結果などから事件やトラブルに巻き込まれることが多く、想に「面倒事好きでしょ」とまで言われている。社交的で機転も利き、必要とあらば方便として嘘すら器用に使いこなす他、変装しての潜入捜査や聞き込みまで行う。ただ、学校の勉強は平均より少し下レベルで、特に数学は大の苦手。しかし『Q.E.D. iff ―証明終了―』においては燈馬に影響を受けて見えてなかった世界を見たいと勉強を見てもらい、アメリカの大学に通おうと奨学金制度の試験を受けトップ合格を果たすまでになった。
剣道部に所属しており腕は達人クラス（女武蔵と呼ばれている）。だが、剣道に限らず運動全般に類稀なる才能を持ち、およそ運動と名のつくものなら、大抵の行動を数度の練習でモノにする。学校の塀を街路樹を利用した三角跳びで乗り越える、教室の窓から校舎の壁を伝って屋上まで登る、大人でも命の危険を感じる遠泳をこなすなど身体能力は驚異的なレベル。「あの人の周りには重力が無いのかな？」とは想の弁。そのため腕っ節をアピールする場面も多く、気安い相手には口より先に手が出ることもしばしば。クラスでのまとめ役をする際には、その部分が物を言うこともある。本人にはその部分の自覚はかなり希薄である。
事件の推理は想に任せる代わりに、自身は持ち前の行動力で事件関係者への聞き込みや情報収集を担当している名探偵の助手的役回り。また事件・出来事の内容を正確に想に伝えることができる記憶力と言語力の持ち主でもある（作者曰く「燈馬君よりもすごい人」）。漫画の都合上、登場人物のセリフは日本語となっており作中では基本的に会話に不自由していないが、アメリカ最大の新聞社でインターンをした経験もあり、少なくとも英語に関してはアメリカの大学向けの試験レポートが書け、またそれらの説明ができるほどに会話もできる。
二輪免許保持者。またアルバイトもしているが短期で変えているようで、カラオケ店の店員、コーヒーの配達やタウン誌の取材、テレビ番組のエキストラ等内容は多岐に渡る。また結果として事件に巻き込まれたり、想を付き合せて事件に巻き込んだりもしている。
なお、彼女の名前は文化放送のアナウンサーである水谷加奈からとられている。

捜査一課の警部。可奈の父。
少年向け推理漫画に良く登場する頑迷で凡庸な刑事ではなく、主観にとらわれることなく冷静に行動できて洞察力にも優れた人物で、想の助けを借りずに事件の核心に迫ることもたびたびある。また、想の知識と推理力を高く評価しており、事件解決のために想の言葉に耳を傾ける柔軟な一面を持っている。
仕事では厳しい鬼警部であるが、私生活では家族行事にも進んで参加するおおらかな人物。更には可奈に危害を加えようとした男に「ウチの娘に二度と刃物を向けてみろ。その首ヘシ折るぞ」とにらみつけるほどに娘思い（単行本16巻死者の涙）。一人暮らしで親と離れて暮らしている想にとっては、力強い父親のような存在である。
本名は長らく不明で、『月刊少年マガジン』2009年2月号に掲載の特別編「ドラマ殺人事件」にて初めて明かされた。

捜査一課の若手刑事で水原警部の部下。
現場や捜査活動で水原警部とコンビを組んで捜査することが多い。若いながらも落ち着いた佇まいでそつがない。水原警部が一目置いていることから彼も想に信を置いている。
『マガジンGREAT』2004年3月号に掲載された「3羽の鳥」でフルネームが明らかになった。

ボストンにて、一人暮らしをしながら学校に通う、想の妹。アメリカで育った影響か、兄である想をファーストネームで呼ぶ。
好奇心旺盛だが、一つのことを考え出すとそれに没頭し、他の刺激・思考をシャットアウトしてしまい、注意散漫になってしまうという悪癖を持つ。そのためにトラブルに巻き込まれたり、取り返しのつかない失敗をしてしまうことすらある。
登場初期は前述の失敗癖が要因で構ってくれた両親を想から独り占めにしたと感じ、加えて怪我した動物達を看病する際の想の淡々とした態度を見て「彼にとっては誰がいてもいないのと同じ」と思い込み誤解していたこともあった。
砂の耳の持ち主で、非常にヒアリングに長けている。世界中のあらゆる主要言語を容易に習得し、使いこなす。これはヒアリング能力に加えて、他国の文化への強い興味が一助となっており、言語・単語から、その地域の文化背景に触れられる事に楽しさを見出しているという。
なお、燈馬兄妹の両親は、父親が建築家で母親が歴史学者。歴史的に貴重な建造物を修復するため、夫妻揃って世界中を飛び回っており、どこにも定住していない。

高飛車な会長・江成姫子、自信過剰だが無能な長家幸六、オカルトマニアの盛田織理の3名で創設。後述の経緯から江成に従順な菱田丸男が加入し4名となる。
学園内で起こる事件を解決し、かつ自分達の知的好奇心を満足させるために結成されたが、実際にはその思いの強さが空回りして、逆に事件を起こしてしまうトラブルメーカーとなっている。第48話で、探偵同好会は乗っ取られた挙句に潰されてしまった。そのため、代わりに想が自分名義で「ミステリ同好会」を立ち上げ、江成達にプレゼントした（想曰く「檻に閉じ込めておかないと周りが迷惑するから」）。その為、江成は想と可奈の2人も同好会のメンバーに数えている（想達はすでに抜けたつもりでいたが）。

江成 姫子（えなり ひめこ）

探偵同好会（ミステリ同好会）の会長にして創始者。
高圧的な態度と周囲の空気もお構いなしに物事を進める女王様気質な性格から、「クイーン」と呼ばれている。本人も「江成クイーン（エラリー・クイーン）」となるこの通称をいたく気に入っている様子。我が意を得た発言をした相手には「あなた、とてもいいことを言いました」と賞賛するのが口癖。資産家の祖母を持つ。想と可奈を頼りにしているが、その反面他の会員の能力に対する信頼は低い。

長家 幸六（ながいえ こうろく）

探偵同好会（ミステリ同好会）会員。自分の苗字が家が複数ある状態＝HOMESという解釈から、自らを「ホームズ」と主張している。
理論派を自称する理屈屋のメガネ男子だが、理論派を自称する割にはトリックが不合理だったりかなり大きな穴がある推理を展開する上、幽霊や宇宙人といった非科学的なものが大変苦手。仕舞いにはその思考や存在自体を江成からは「カブト虫」と揶揄されている。

盛田 織理（もりた おりさと）

探偵同好会（ミステリ同好会）会員。
筋金入りのオカルトマニアで、不可解な事に対しては何かと宇宙人や幽霊の仕業だという怪奇的な推理を好むため、しばしばホームズと対立する。そのことから「モルダー」という渾名で呼ばれている。

菱田 丸男（ひしだ まるお）

探偵同好会（ミステリ同好会）の新入会員。一年生。
元々は3人の仲間達と探偵同好会の部室を乗っ取る目的で会員になり、その思惑通り江成達3人を追い出すことに成功するも、結局は想の計略に嵌まり部室を明け渡すことに。その際、江成に土下座させられた上に頭を踏みつけられたことがきっかけで内なる衝動に目覚め、以後はミステリ同好会に所属し、江成を女王（クイーン）様と呼び慕うようになる。以上の経緯から江成への忠誠心は高く、江成のために南極まで行くバイタリティも見せる。UFO関連の書物を多数所持している。

内閣の政策に関わる情報収集・分析を行うことを職務とする内閣情報調査室勤務の分析官。
「新たな織田信長が誕生しないため日本には見張りが必要」だと本人が述べる仕事柄、主に政治家にまつわる事件において想と可奈と絡んでいる（作者曰く「水原警部よりも大きな事件を持ってくる人」）。彼の力で可奈も入れた政府の超極秘資料庫には三億円事件に関するファイルが保存されていた。
既得権益を手放そうとしない政治家一掃の任務の過程で発生した、奇しくも自身の大学時代の友人も関わった殺人事件が縁で想と知り合い、以降はその事件を解決した想の知恵を借りてテロの予兆となりうる事件を調査したり、彼もまた想と可奈から他国で発生した事件の情報を求めて尋ねられたりしている。
普段は冷静沈着で人当たりはよくなく取っつきにくい印象だが、可奈に挑発されたり、不測の事態が起きた際に感情を露わにする一面がある。一方で、「スウイートハウス シュガー JARIJARI」というケーキ屋を行きつけの店としており、可奈と話す際にもこの店を使っている（可奈曰く「ケーキが甘い」とのこと）。

想のMIT時代の友人であり、優秀な数学者。金髪ストレートの白人種。
北欧神話における「悪戯の神」の「ロキ」というあだ名を持つ無類のいたずら好きで、CIAすら煙に捲くほど。
多趣味で明るい性格をしており、想と違ってかなり社交的なタイプであるが、彼もまた才能故の孤独を持ち、想に出会うまで自分の発見や理論が常人から理解されない悩みを抱えていた。想にとっては兄のような人であり、良き友であり、相互的な理解者である。想が唯一あだ名で呼ぶ存在。
想がMITの研究機関を辞めた際、想が来るまでトップであったロキが、想を追い出したという噂を流されたが、その疑惑は3巻収録「ブレイク・スルー」にて解決した。

ロキの相棒で優秀な情報工学者。褐色の肌を持つ。1976年生まれ。
想以外でロキの考え出した理論を形にできる唯一の存在。心優しい女性で常にロキのことを案じ、それ故に過剰な行動を取ることもある。ロキにとっても大切な存在であり、彼女に何かあればすぐさまロキは解決に動く侠気（おとこぎ）を見せる。ロキにとっての大事な存在である想のことも、友人として案じている。

シェア90%を占めるパソコン用OS「ウィングス」シリーズを開発・販売しているアランソフト社の会長で、世界一の大富豪。モデルはビル・ゲイツ。趣味は鱒釣り。
通称「災厄の男」。悪人という訳ではないが、極めて自己中心的で子供じみた性格であり、想とは違う意味で他人の気持ちを思いやる能力に欠ける。ただし頭の回転は速く、発想はかなり独特。金に糸目をつけない豪快さも持ち合わせており、のちに妻となるエリーから「星空の見える静かな場所で食事がしたい」とリクエストされた際にはヘリコプターで料理人とともにグランドキャニオンに乗りつけて食事会場をセッティングし、婚約指輪を選ぶ際には可奈が何気なく薦めた高額な指輪を即決で購入している。
当初は近年の社員の質の低下に悩み、かつて「ウィングス」の基礎理論開発に力を貸した想を引き抜こうと様々な策略をしかけていたが、想に返り討ちにされ、最後は勝負の最中に食らったしっぺ返しを解決してくれた想に、これ以上自分を策略に巻き込ませないという条件を突きつけられてしまった。だが、それからも自身や自らの会社に関わるトラブルの解決について想や可奈を頼ることが多くなった。またエリーとの結婚後は、彼女との結婚の条件として、発展途上国の貧しい人々の援助を目的とし、全財産の3分の1を寄贈して慈善団体「アラン＆エリー財団」を設立した。

アランの7人目の秘書。気丈な性格の女性で、アランに唯一気後れすることなく物を言える存在。常識人だが、雇われ人の哀しさでアランの奇抜な人材勧誘イベントの片棒を担がされることも少なくない。
常にアランに振り回されており、本人も秘書を続けることにうんざりしているのだが、なぜかやめることなく頑張っている。後にある事件を経てアランに求婚され、「あなたには監視役が必要だから」と冗談めかして承諾している。

マサチューセッツ州の地方検事局に勤める、名門一家の女性検事。ハーバード大学卒。
初登場の頃は、まだ経験が足りないためか、些細なミスを繰り返していた。MITに入学したばかりの頃の想に、目に見える事実だけを追わずに、そこから導き出される人間の心情を読むことを教え、それによって人の力になれる人間になるよう諭した女性。可奈とよく似た、竹を割ったような性格をしている。
担当していた事件絡みで銃撃され死亡したと思われたが、娘を束縛しようとする父親によって死を偽装され、父親から逃れるためすべてを捨て姿を消した。現在は交渉人のような仕事をしているという。

燈馬兄妹の母方の従弟。兄妹をして「一番の変わり者」と言わしめる変人。東京某所にある民家を改装し「森羅博物館」という、客が滅多に来ない博物館を経営している。
大英博物館の「智の守護者」の証たる「C.M.B.」の文字が刻まれた「3つの指輪」の現在の所持者。その鑑定眼はあらゆる物の真偽を見抜く。

森羅のクラスメート。合気道の達人で銭湯の娘。出会ってすぐに可奈と意気投合する。

警視庁捜査一課の警部補。元アイドルで、その時代運営委員会に騙されていたことをきっかけの一つにグループ解散後、国立大学法学部を経て国家公務員試験に合格。警視庁に配属された新人。
経歴を見ればエリート官僚だが、警察学校でアイドル時代のダンス経験をいかして逮捕術の授業の際、教官を蹴り倒したことから警視庁や霞が関で名が知られることになった。更に名前の菊乃からのもじりもあって「キック」のあだ名が付けられた。
元々は小説「捕まえたもん勝ち！ 」シリーズの人物。Q.E.D.にはiffから登場。また、C.M.B.にも登場している。