La historia se centra en cinco miembros de la Brigada SOS.

Haruhi Suzumiya

La fundadora del club y personaje central de la serie, es una chica energética y frecuentemente excéntrica quien fundó la Brigada SOS después de hablar con la única persona que entablaría una conversación con ella, un compañero de clase apodado Kyon (su nombre real es Ryon). La razón principal por la que fundó el club fue para encontrar aliens, viajeros del tiempo, personajes con poderes sobrenaturales, y seres de otra dimensión bajo el lema de la Brigada SOS destinada a "salvar al mundo con una sobredosis de diversión".

Kyon

Un compañero de clase de Haruhi , protagonista de la historia quien comenzó a hablarle sólo por curiosidad, es reclutado al club, aún inseguro de lo que vendrá. Cuando otros dos miembros son "reclutados" por Haruhi, Kyon decide quedarse para asegurarse de que las ideas locas de Haruhi no les hagan ningún daño. Se dedica a detener a Haruhi para que no llegue demasiado lejos la mayor parte del tiempo, pero no siempre puede hacerlo. La historia la narra él, desde su punto de vista y desde sus vivencias, que con el paso del tiempo se vuelven cada vez más extraordinarias. Su verdadero nombre es Ryon.

Yuki Nagato

Una enamorada de loas libros a la cual le encanta leer sola. Fue enviada a la Tierra para vigilar a Suzumiya, que desde el punto de vista de los jefes, es una criatura capaz de cambiar datos a voluntad y crearlos de la nada; ya que del mundo del que viene no hay interfaces fisicas, ella esta ahí en busca de la esperanza de autoevolución para su especie.

Mikuru Asahina

Es un año mayor que los demás. Es considerada por Haruhi como la mascota oficial de la Brigada S.O.S y la obliga a usar un sinfín de disfraces. Uno de los más empleados es el de sirvienta, con el cual está muy agusto y se encarga de proveerles de té a los demás integrantes de la Brigada. Es una autoproclamada "viajera en el tiempo" que está en esa época ya que tres años antes ocurrió un terremoto temporal provocado por Haruhi. Venida del futuro, la mayoría de la información que posee es "información clasificada" y no conoce a sus jefes.

Itsuki Koizumi

El último miembro oficial. Haruhi lo añade a la Brigada tras un traspaso de este al colegio en mitad del curso, cosa que ella denomina como algo misterioso. Siempre se encuentra sonriendo y más que dispuesto a darlo todo en las extrañas exigencias de Haruhi. Él es un autoproclamado "persona con poderes". Está muy feliz en la Brigada SOS, ya que cree que Haruhi es una persona agradable y cree que Kyon es su amigo. Sus poderes se encuentran siempre en pausa, exceptuando cuando Suzumiya se encuentra bajo presión, estrés o de mal humor por los que acaba generando "espacios sellados" en los cuales habitan unos seres denominados "Avatares" que se encargan de destruír todo a su paso, corriendo el riesgo de desaparecer este mundo. Koizumi junto con los de su equipo, trabajadores para la Agencia, se encarga de destruir a estos seres.

Los tres últimos miembros fueron enviados por su grupo particular para investigar a Haruhi Suzumiya, que aparenta tener poderes extraordinarios, como el poder de rehacer el mundo en lo que ella decida, casi como un dios. Sin embargo, Haruhi no se da cuenta que tiene tal poder y tampoco que su propio club contiene la gente que ha estado buscando.