Dopo aver promosso Sara Ramirez (Callie) ed Eric Dane (Mark), che si uniscono al cast regolare, con la terza stagione Grey’s Anatomy saluta Kate Walsh (non definitivamente poiché tornerà più volte nelle vesti di guest star), che dalla stagione successiva continuerà a interpretare il ruolo della Dr. Addison Montgomery-Shepherd nello spin-off Private Practice. Questa, inoltre, è l’ultima stagione nella quale appare Isaiah Washington, l’interprete del cardiochirurgo Preston Burke, il quale fu licenziato dalla ABC perché tacciato d’insulti omofobi nei confronti del collega T.R. Knight (George O'Malley).