探索部成員
鈴木結愛（鈴木 結愛（すずき ゆあ），配音：西明日香） 桃成（とうせい）高校3年生。探索部部長，歸國子女，十分活躍，行動力十足，有開黃段子的習慣。有在學生會和其他部社有很好的關係，所以總能得到各種的幫助，包括能自由使用體育館和請其他部社製作道具等。第一期畢業，但葵以「不長大」的設定，被請回來繼續擔當第二期的部長。第二期第3話片尾標示為「胸貼鈴木（ニップレ鈴木）」，因該集的即興演出中提到了胸貼。
佐藤陽菜（佐藤 陽菜（さとう ひな），配音：明坂聰美） 桃成高校3年生。探索部副部長，有呆毛，十分賢惠，沉穩冷靜，和結愛是青梅竹馬，部員中胸部最大。和結愛一樣，第一期畢業，但葵以「不長大」的設定，被請回繼續擔當第二期的副部長。
高橋葵（高橋 葵（たかはし あおい），配音：荻野可鈴） 桃成高校2年生。扎有雙馬尾，十分活躍，有點自我中心，喜歡說冷笑話，不太喜歡男生。在3年生畢業前由結愛授予部長職位，最後以「不長大」的設定，請回了3年生回來繼續活動。
田中心春（田中 心春（たなか こはる），配音：大橋彩香） 桃成高校1年生。十分純真的性格。起初被陽菜請進了探索部。在3年生畢業前由陽菜授予副部長職位，最後和葵一起以「不長大」的設定，請回了3年生回來繼續活動。第二期第3話片尾標示為「咚吱田中（ドンチキ田中）」，因第2話的即興演出中表演了「咚吱咚吱（ドンチキ）」的音樂節奏。
渡邊美櫻（渡辺 美桜（わたなべ みお），配音：水原薰） 前任探索部部長。總是會被結愛和陽菜當成不良。葵因她而加入探索部。曾於第二季第8集短暫現身過，正式登場於第二季第12集。
圖片影片
《妄想探索社》官方宣布將推出續篇動畫
