出演は、主人公のドジちゃんに桃瀬美咲、ドロちゃんに武田梨奈、ドカちゃんに野元愛、ドレちゃんに吉川まりあ、ドリちゃんに團遥香、
伝説の妖怪ハンター・ドグちゃんを前作に引続き、谷澤恵里香が演じる。
また妖怪研究家の月宮雄三に西郷輝彦、息子の翔太に鈴木勝吾、現代の妖怪たちを演じるゲストには芦名星、伊藤裕子、大槻ケンヂ、神楽坂恵、斎藤歩、谷桃子、和田聰宏ら。
古代少女隊ドグーンⅤ
ドグちゃん – 谷澤恵里香（当時アイドリング!!!）
土偶の神様。縄文時代の妖怪ハンターでもあり、1万年の眠りから目覚める。天真爛漫な性格で、誠を自分のしもべとし、妖怪退治に奔走する。普段は土偶をイメージしたビキニ風のコスチュームを纏っているが、誠と共に行動する際は小百合が学生時代に着ていたセーラー服を着用する。主な武器はドグちゃんソード。必殺技はドキドキウェーブ。ドキゴロー（声） – 朴璐美
ドグちゃんと行動を共にする土偶姿の相棒で、謙三により発見される。妖怪分析が可能で、妖怪と戦う時には分解し、ドグちゃんのプロテクターとなる。
古代少女ドグちゃん – Wikipedia
宍戸紀美香 – 桐島里菜
誠の同級生で、学級委員長。誠に想いを寄せている。門間慎太郎 – 柄本時生
誠の同級生で、唯一の親友。女好きでお調子者。杉原謙三 – 上川隆也
誠の父親で考古学者。ドグちゃんとドキゴローを杉原家に住まわせ、生態を観察している。杉原小百合 – 斉藤由貴（第1話は写真出演）
誠の母親。5年前に誠の誕生日プレゼントを買いに行った帰りに交通事故で亡くなっている。
古代少女ドグちゃん – Wikipedia
イリヤ – 安達祐実（第7話）
古代少女ドグちゃん – Wikipedia
ウオナ / 鯉びと（声） – ソニン（第1話）
棟方朔美 / ちちでか – 穂花（第2話）
写真集の少女 – 滝口ミラ（元アイドリング!!!/友情出演）（第2話）
校長先生 – 綾田俊樹（第2話）
五味五郎 / 放置自転車 – 田口浩正（第3話）
町田老人 – 藤村俊二（第3話）
水之江小町 – 山田キヌヲ（第4話）
鬼瓦権三 – 村松利史（第4話）
仁科あゆみ – 汐見ゆかり（第4話）
仮面の男 – 芦田昌太郎（第4話）
磯部洋介 – 駿河太郎（第5話）
皆川由紀 – 宮下ともみ（第5話）
浅川昇 / カニ光線 – 井口昇（第5話）
古代少女ドグちゃん – Wikipedia
北川茉莉香 – 岡野真那美（第6話）
佐山ゆり – 上田愛美（第6話）
幼い頃のゆり – 柳下花恋（第6話）
佐山美優 – 青山碧（第6話）
イリヤ – 安達祐実（第7話）
田辺栄太郎 – 高橋和也（第7話）
総理大臣 – 杉作J太郎（第7話）
宍戸剛 – 中本賢（第8話）
宍戸美枝子 – 石野真子（第8話）
ウオヤ – 竹中直人（第8話）
ユカリ – 大沢逸美（第9話）
クリスチーネ – 佐藤真弓（第9話）
宮本可奈子 / 親もどき – 美保純（第10話）
宮本万里 – 高良光莉（第10話）
古代少女ドグちゃん – Wikipedia
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