The Big Bang Theory utspelar sig i Pasadena, Kalifornien och kretsar kring fem personer; Leonard Hofstadter, experimentalfysiker vid California Institute of Technology, Sheldon Cooper, teoretisk fysiker vid samma lärosäte, Penny, deras granne, Howard Wolowitz, flygingenjör vid Jet Propulsion Laboratory, och Rajesh Koothrappali, astrofysiker vid California Institute of Technology.

De fyra killarnas nördighet och intellekt kontrasterar med Pennys sociala färdigheter och sunda förnuft. Tre andra bifigurer har blivit uppflyttade till huvudroller för ett antal säsonger eller avsnitt; Leslie Winkle, en kollega vid California Instute of Technology, Bernadette Rostenkowski, doktorand och senare doktor inom mikrobiologi, och Amy Farrah Fowler, neurobiolog.