В фильме могла появиться и Фаина Раневская. Чтобы как-то очеловечить образ разведчика, "утеплить", смягчить слишком уж серьезного героя, режиссер решила ввести еще одного персонажа, которого не было ни в книге, ни в сценарии, — фрау Заурих. Лиознова попросила Юлиана Семенова написать пару сцен с участием старой немки, надеясь, что ее сыграет Фаина Георгиевна. Семенов нехотя что-то сочинил — получилась жуткая ахинея. Татьяна Михайловна сразу решила, что в процессе съемок все сделает по-своему. Когда Лиознова и Семенов пришли к Раневской домой и показали ей сценарий, Фаина Георгиевна, прочтя его, ужаснулась. "Это что за идиотство? — воскликнула она. — Разве это можно сыграть?" И наотрез отказалась.

Несколько кандидатур было и на роль Гитлера, на которого пробовались два Леонида: Броневой и Куравлев. Однако их фотопробы режиссера не удовлетворили, и они были утверждены на другие роли: Броневой сыграл Мюллера (парадокс, но отец актера всю жизнь прослужил в КГБ), Куравлёв — Айсмана.

А Гитлером стал немецкий актер Фриц Диц,
который еще с эпопеи «Освобождение» навечно прописался в этой роли

Лиознова вспоминает: «Актеры не удивлялись моему выбору, потому что очень долго перед этим репетировали. С разными партнерами... Весь выбор — это тайна моей внутренней жизни. И бесконечного погружения в сцены будущего фильма. Проигрывание в уме всей картины с разным сочетанием актеров».

Первоначально в фильме предполагалась роль и для актера БДТ Ефима Копеляна. Однако так получилось, что места в актерском коллективе ему не нашлось и Лиознова предложила ему стать «голосом за кадром». Режиссер вспоминает: «Я позвонила ему в Ленинград и просила передать, что коленопреклоненно прошу его согласиться. Работать с ним было сплошным наслаждением. Он приезжал и, хотя был только что с поезда, всегда успевал побриться и переодеться в белоснежную рубашку, ни разу не изменил себе. Мы стали соратниками. Его голос звучит так, будто он знает больше, чем говорит

В процессе работы над музыкой Таривердиев написал десять песен, однако в фильм вошли только две из них: «Где-то далеко...» и «Мгновения». Восемь других пришлось выкинуть, поскольку их некуда было вставить. И, думается, правильно: за счет этого в картину удалось вставить очень много прекрасной инструментальной музыки.
Певцы под песни пробовались разные. Сначала пригласили Вадима Мулермана. Однако его кандидатуру зарубило высокое телевизионное начальство. Тогда Лиознова пригласила не менее популярного певца Муслима Магомаева, который записал все песни к фильму. Лиознова их послушала... и забраковала. Она попросила Магомаева перепеть песни в другом ключе, но певец отказался. Сказал, что никогда не под кого не подстраивается.

Тогда для записи песен был приглашен Иосиф Кобзон,
чье исполнение всех удовлетворило.

Съемки фильма начались в марте 1971 года с экспедиции в ГДР. Там предстояло отснять все натурные эпизоды Штирлица в Берлине, а также убийство им гестаповского провокатора Клауса. Однако последний эпизод снять на немецкой земле не удастся, поскольку наши власти категорически отказались отпускать даже в дружественную для СССР державу актера Льва Дурова. Причина: плохое поведение актера на выездной комиссии. Что это такое? В соответствии с положением, которое существовало тогда, каждый гражданин СССР, выезжающий за границу, должен был сначала пройти через фильтр выездной комиссии. В нее обычно входили наиболее рьяные слуги партии, которые в каждом отъезжайте видели в худшем случае потенциального изменника родины, в лучшем — болвана.

Вот и Дурова они встретили соответствующим образом. Например, с ходу спросили: «Опишите нам, как выглядит флаг Советского Союза». Услышав такой вопрос, актер ответил на него сообразно обстановке: «Он выглядит очень просто: черный фон, на нем белый череп и две перекрещенные берцовые кости. Называется флаг «веселый Роджер». Что тут началось! Женщины завизжали, мужчины замахали руками: да как вы смеете! да как вам не стыдно! Однако опрос продолжился, но ни к чему хорошему это привести уже не могло. Некая дама спросила: «Назовите столицы союзных республик». Дуров, не моргнув глазом, перечислил: «Калинин, Тамбов, Магнитогорск, Тула, Малаховка». Больше его ни о чем не спрашивали и из списков отъезжающих вычеркнули. Конечно, Дуров здорово подвел всю съемочную группу, но иначе он поступить просто не мог — не хотел выглядеть еще большим идиотом в глазах идиотов. К счастью, Лиознова найдет выход из этой ситуации: убийство Клауса Штирлицем снимут чуть позже в подмосковном лесу. А за Дуровым после этого инцидента прочно закрепилось прозвище, которым он очень гордился — «главный бандит республики».

Были на немецкой земле и другие курьезные случаи. Например, однажды едва не арестовали Вячеслава Тихонова. Он решил прошествовать от гостиницы до съемочной площадки (благо это было недалеко) в форме штандартенфюрера СС, за что был немедленно задержан берлинцами. Те сочли его за приверженца фашизма и уже собирались препроводить в полицейский участок. К счастью, этот шум услышали члены съемочной группы, примчались к месту скандала и отбили артиста у берлинцев.

К слову, всю остальную натуру снимали на родине: в Риге сняли Цветочную улицу, в Тбилиси и Боржоми – переход Шлага через Альпы, прогулки Штирлица в лесу – в Подмосковье.

Директором фильма был Ефим Лебединский, который на роль статистов — тех же эсэсовцев, охранявших штаб-квартиру РСХА, — пригласил своих знакомых, причем, сплешь одних евреев. Консультант из КГБ, который однажды пришел на съемки и увидел этих статистов, внезапно возмутился: мол, как это так — в роли эсэсовцев снимаются евреи?!
— А вы что, антисемит? — удивилась Лиознова.
— Нет, но вы сами знаете, какие у нас отношения с Израилем. Вот и получится, что мы в своем фильме покажем, что евреев уничтожали такие же евреи, только в гестаповской форме. Лиознова намек поняла. Она вызвали Лебединского и приказала поменять статистов.
— Как поменять?! Я же им уже заплатил! — возмутился директор.
— Ничего, компенсируешь из своего кармана! — отрезала Лиознова.
Директору пришлось подчиниться. В тот же день с помощью все того же консультанта из КГБ он позвонил в Высшую пограншколу и попросил прислать на съемки десяток рослых курсантов, желательно прибалтийцев. Именно их мы теперь и видим на экране.

В фильме были и другие подмены. Так, в кадре, где показывали руки Штирлица (когда он рисует бонз рейха и выкладывает из спичек фигурки зверей), снимали руки... художника фильма Феликса Ростоцкого. Спросите почему? Дело в том, что у Тихонова на правой руке была татуировка, сделанная еще в юности — «Слава». И как ни старались гримеры ее замазать, на крупных планах она все равно проступала. Чтобы не рисковать, решили снимать руки другого человека. Он же, Ростоцкий, писал шифровки за Плейшнера-Евстигнеева. Но там причина была другой: уж больно плохим был почерк у актера, чтобы показывать его крупным планом.

Когда в начале 1973 года фильм был смонтирован, и его показали высокому телевизионному руководству, на голову режиссера посыпались первые упреки. Больше всех возмущались военные, которые заявили, что согласно фильму войну выиграпи одни разведчики. Возразить им Лиознова не посмела, поэтому отправилась исправлять досадную оплошность. Она включила в фильм еще несколько сот метров документальной хроники, и претензии военных были сняты.

Премьера фильма состоялась в конце лета 1973 года: с 11 по 24 августа. Все дни пока он демонстрировался, буквально вся страна прильнула к экранам своих телевизоров. И как гласят тогдашние милицейские сводки, по всей стране резко снизилась преступность. Причем так было не только у нас. Один наш теленачальник посетил как-то Венгрию и в одной из приватных бесед с тамошним пограничником спросил: «Ваши граждане, случайно, не бегут в соседнюю благополучную Австрию?» На что пограничник ответил: «На данный момент нет. Потому что сейчас по нашему ТВ показывают ваши «Семнадцать мгновений весны».

Согласно легенде, когда фильм посмотрел Леонид Брежнев, он настолько расчувствовался, что приказал своим помощникам немедленно разыскать настоящего Штирлица и достойно наградить его. На что Андропов ответил, что Штирлиц — лицо вымышленное. «Жаль», — покачал головой Брежнев. Однако в тот же день он позвонил домой Екатерине Градовой, чтобы выразить ей свою признательность. Но актриса сочла этот звонок чьей-то дурацкой шуткой и бросила трубку. Когда она это сделала во второй раз, ей уже позвонил помощник Брежнева и попросил не бросать трубку: «С вами действительно будет говорить Леонид Ильич».
Между тем Андропов не забыл своего разговора с Брежневым относительно Штирлица. И когда в 1983 году шеф КГБ сам стал Генеральным секретарем, он распорядился наградить всех участников фильма орденами.

В итоге В. Тихонов получил «Звезду», Р. Плятт и Т. Лиознова ордена Октябрьской революции, Л. Броневой, О. Табаков и Е. Евстигнеев — Трудового Красного Знамени, Н. Волков и Е. Градова — Дружбы народов.