Главными героями повести «Собачье сердце» можно назвать профессора Филиппа Филипповича Преображенского и бродячего пса Шарика, в результате экспериментальной операции ставшего человеком по имени Полиграф Полиграфович Шариков. В повести также фигурируют помощник профессора доктор Иван Арнольдович Борменталь, прислуга Зина, кухарка Дарья, члены домового комитета Швондер, Вяземская, пациенты профессора.
Чаще всего прототипами профессора Преображенского называют дядю Михаила Булгакова врача-гинеколога Николая Михайловича и хирурга Сергея Воронова, проводившего опыты по пересадке яичек обезьян человеку с целью омоложения. Кроме этого, прообразами могли послужить и другие доктора того времени: врач Алексей Замков, биолог Илья Иванов, невролог Преображенский, хирург Розанов, врач Василий Дмитриевич Шервинский.
Некоторые исследователи творчества Михаила Булгакова считает, что «Собачье сердце» является политической сатирой на руководство государства середины 1920-х годов, а каждый из персонажей имеет прообраз среди политической верхушки страны в то время. В частности, прообразом Шарикова-Чугункина является Сталин (у обоих «железная» вторая фамилия), профессора Преображенского — Ленин (преобразивший страну), доктора Борменталя, постоянно конфликтующего с Шариковым — Троцкий (Бронштейн), Швондера — Каменев (Розенфельд), ассистентки Зины — Зиновьев, Дарьи — Дзержинский и так далее. Однако такая версия кажется маловероятной.