Мало кто знает, но первоначально сценарий фильма назывался «Дважды солгавшая», а за образами главных героинь стояли реальные люди. Людмила, Александра и Катерина – сестры матери сценариста картины Валентина Черных, то есть его родные тетки. Фактически Валентин Константинович списал героинь с их прототипов, в первую очередь уделив внимание характерам. Сценарий был написан для конкурса сценариев о Москве всего за 19 дней – автор очень боялся не уложиться в сроки, но успел, и работа заняла первое место.
Главную героиню Катерину могли сыграть Ирина Купченко и Маргарита Терехова, однако, прочитав сценарий, они отказались – он показался им слишком скучным. Тогда режиссер решил сделать пробы для своей жены Веры Алентовой. Как утверждает сам режиссер, Алентова попала в фильм не «по блату», вопреки мнению многих. Она получила роль в честной конкурентной борьбе, и во многом именно ее актерская работа стала одной из причин ошеломляющего успеха фильма.
На роль скромницы Тоси пробовались Раиса Рязанова и Нина Русланова. Как впоследствии рассказывала Раиса Рязанова, она была не против сыграть любую женскую роль, но прекрасно понимала, что ей достанется именно роль Тоси. Так и случилось, а Русланова получила отказ, после чего очень обиделась на Меньшова. Кстати, сам Меньшов тоже планировал сыграть в фильме – он пробовался на роль Гоши, но увидев Баталова, понял, что лучшего варианта ему не найти.
Меньшов очень хотел видеть в роли Александры Наталью Вавилову, но ее родители, высокопоставленные сотрудники МИДа, были против. Вместе с Алексеем Баталовым режиссер поехал домой к Вавиловой. Дверь открыла изумленная мама Натальи. Естественно, родители не смогли устоять перед настойчивой просьбой двух известных артистов, и дали согласие на съемки дочери.
Леонид Ильич Брежнев очень любил смотреть кино на своей даче. Однажды он попросил прислать ему какой-нибудь новый фильм. На «Мосфильме» не было ничего, кроме «Москвы». Фильм настолько понравился Леониду Ильичу, что он дал указание своим помощникам перезвонить на «Мосфильм» и попросить задержать картину еще на денек.
Интересная история связана со съемками эпизода в коммунальной квартире, где жил Гоша. Съемки проходили в реальной квартире старого дома, предназначенного под снос. Основная часть жильцов уже съехала, осталось только несколько бабушек. Они-то и попали в кадр в качестве массовки. Как вспоминал Алексей Баталов, ему пришлось несладко – актер сидел за столом в тапочках на босу ногу и в майке, при этом, в доме напрочь отсутствовало отопление, и было очень холодно. В результате Баталов подхватил простуду. В кадре можно увидеть большую воблу – её накануне съемки режиссеру прислали из Астрахани, и рыбина стала отличным реквизитом.