Los personajes principales de la obra son todos reales, como Rodrigo Díaz de Vivar, Alfonso VI, Diego y Fernando González (infantes de Carrión), García Ordóñez, Yúsuf ibn Tašufín o Minaya Álvar Fáñez (conquistador de Toledo e históricamente un héroe casi tan grande como el mismo Cid), así como muchos secundarios (Jimena Díaz, prima de Alfonso VI), el conde don Remont (Berenguer Ramón II), el "moro de paz" Abengalbón, el obispo don Jerome (Jerónimo de Perigord), Muño Gustioz, Diego Téllez, Martín Muñoz, Álvar Salvadórez, Galín García, Asur González, Gonzalo Ansúrez, Álvar Díaz...; de otros no se sabe si son reales o ficticios (Pero Bermúdez, Martín Antolínez, Félez Muñoz, Raquel -que sería en realidad Raguel o Roguel- e Vidas...), otros son ficticios (los moros Tamín, Fáriz, Galve) y unos pocos aparecen con el nombre equivocado (las hijas del Cid, Elvira y Sol, son en realidad Cristina y María; Sancho, abad de Cardeña, se llamaba en realidad Sisebuto; Búcar, rey de Marruecos, es en realidad el general almorávide Sir ben Abu-Béker).[39]
El héroe, Rodrigo Díaz, el Cid, está más caracterizado por sus actitudes y personalidad que por su físico, del cual solo se destaca su gran barba ("¡Oh Dios, cómo es bien barbado!" v. 789; "el de la crecida barba", v. 1226; "el Cid de la barba grande", v. 2410, etc.) que se ata con un cordón y promete no cortarse hasta que vuelva a la Corte en señal de duelo, y su fortaleza. Es además un diestro guerrero, piadoso, buen padre, fiel al rey hasta la humillación: a su paso ("las yervas del campo a dientes las tomó", v. 2022), amigo incluso de paganos musulmanes, pues uno de sus mejores ("myo amigo natural", v. 1479; "amigo sin falla", v. 1528) es un mudéjar o sarraceno rico, Abengalbón, quien descubre el complot de los Infantes para matarlo y robarlo por medio de un "moro ladinado" o disfrazado de cristiano que escucha su conjura; sin embargo, los perdona en deferencia al Cid, mostrándoles así en qué radica la verdadera nobleza (episodio que inaugura una larga tradición de maurofilia en la literatura castellana).
Pero lo que realmente define al Cid, como determinó Ramón Menéndez Pidal, es la mesura, un rasgo propio del modo de ser castellano que apenas puede traducirse por "serenidad", "equilibrio" o "contención": el Cid nunca pierde la fe en sí mismo aun en las circunstancias más duras y se prevalece de un fundamental optimismo, rechazando incluso malos agüeros en una época en que la superstición era lo normal y mucho más común que hoy. Su venganza es más jurídica que violenta: exige Cortes al Rey, quien las convoca en Burgos, y reclama la devolución de la dote que les dio a los infantes a cambio del casamiento de sus hijas; asimismo, para no mancharse con la vileza de los Infantes, y pues que los verdaderos responsables de su deshonra son los capitanes de sus mesnadas, quienes le han ocultado la cobardía de los mismos, deja en sus manos la resolución del conflicto de honor mediante el riepto o duelo para lavar su propia honra en señal de respeto a la del Cid. El Cid no es un personaje invulnerable a los sentimientos, ni tampoco un engreído, como Roldán: se emociona y reza cuando es oportuno y, al soltarse un león, no lo mata para exhibir su fuerza como haría cualquier bárbaro caballero, sino que respeta la nobleza del león y lo devuelve a su lugar, la jaula, porque esto es lo correcto y lo que también él debe hacer: estar en su sitio, demostrando su mesura de gran caballero. El episodio, uno de los ficticios creados en el cantar (junto con otros como el del robledo de Corpes o las arcas de los judíos, este último proveniente de un apólogo incluido ya en la Disciplina clericalis de Pedro Alfonso), es parodiado en el Don Quijote de la Mancha, II, 17 de Miguel de Cervantes cuando el personaje principal hace abrir la jaula de un león y este le da la espalda sin hacerle caso. Por demás, el Cid es también un hombre honrado que posee mala conciencia: se siente incómodo cuando Antolínez engaña a los judíos Raquel e Vidas y se intenta calmar pensando que se ha visto forzado a ello; cuando en el futuro Álvar Fáñez se los vuelva a encontrar, la respuesta no será precisamente la devolución de los fondos: Álvar Fáñez les da largas, simplemente, algo que el Cid, el héroe propiamente dicho, sería incapaz de hacer.
Pese a todo, la caracterización de Álvar Fáñez es la de un digno lugarteniente que participa de todas las virtudes del Cid, pero hay una que sobresale en él: es un gran diplomático, por lo cual el Cid lo escoge siempre para enviar sus embajadas ante el rey Alfonso VI con los regalos que son parte proporcional del botín. Martín Antolínez, "el burgalés complido", esto es, "perfecto", destaca como un personaje leal y generoso (provee de víveres a Rodrigo, empobrecido por el rey), pero también es el astuto que idea la trapacería de los cofres con que estafa a los judíos Raquel e Vidas. Es igualmente un gran guerrero que se enfrenta a los Infantes en los duelos finales.
Pero Bermúdez, sobrino del mismo Cid y primo de sus hijas, es tartamudo y se le caracteriza como un hombre fogoso, impaciente y lleno de entusiasmo y empuje, hasta el punto de que, sorteado entre los capitanes el honor de cruzar el acero en primer lugar en la batalla, olvida que a él no le ha tocado esta distinción y es el primero en hacerlo. Los demás capitanes de las mesnadas del Cid bromean por su tartamudez llamándole "Pero Mudo", pero pierde, con un gran golpe de efecto, este freno lingual cuando debe retar a uno de los Infantes en un potente discurso en el tercer cantar, empezando su alocución con el primer refrán que se ha transmitido en la literatura española: "lengua sin manos, cuemo osas fablar".
La atención hasta los más pequeños detalles en la caracterización se percibe incluso en el cuidado que se da a personajes menores o episódicos como Félez Muñoz, el paje pariente lejano del Cid que no duda en estropear el pobre sombrero que se ha regalado con la miserable parte que le ha correspondido por el botín valenciano llenándolo de agua para socorrer a sus primas, vejadas y abandonadas en el Robledal de Corpes para que se las coman los lobos por los infames Infantes de Carrión. Este acto lo define como "noble"... aunque también subraya esta actitud la generosa sangre del Cid que corre por sus venas. Doña Jimena es bosquejada como una madre piadosa... y como una mujer orgullosa, que ha tenido que soportar una gran vergüenza en su obligada reclusión en el monasterio de San Pedro de Cardeña: "Sacado me habéis, oh Cid, de muchas vergüenzas malas: / aquí me tenéis, señor: vuestras hijas me acompañan, / para Dios y para vos son buenas y bien criadas".
Por otra parte, los Infantes de Carrión están descritos con un realismo y una penetración tales en los motivos de la vileza que se llega al escalofrío. No se para en barras el texto al referir que, cuando están azotando a sus esposas, competían por ver quién daba los mejores golpes, detalle de sadismo que refleja verdaderamente a un poeta creador que ha penetrado hondamente dentro de la misma psicopatía de la maldad, despojándola de toda posible justificación. Los "malos" del poema, a diferencia de los de la epopeya francesa, el Ganelón de la Chanson de Roland, por ejemplo, carecen absolutamente de nobleza y de grandeza, y aun incluso de humanidad. Pero otro de los personajes negativos, el catalán Conde don Remont, se muestra muy diferente: aparece como un fatuo y engreído cortesano que se avergüenza de haber sido vencido por esos "malcalçados" de los castellanos, negándose a comer hasta que, apiadado más por los pitorreos que ejercen sobre él sus mesnaderos que por el hambre que pueda sufrir el personaje, el Cid logra con su condescendencia que transija en alimentarse.
