В 1969 году роман Юлиана Семёнова ещё даже не вышел отдельной книгой, но сценарий «Семнадцать мгновений весны» был уже утверждён и подобран режиссёр.
На роль жены Штирлица пробовались и ленинградская певица Мария Пахоменко, и Светлана Светличная, которую позже утвердили на роль Габи, влюбленной в главного героя. Ну, а женой советского разведчика было суждено стать актрисе Театра Вахтангова Элеоноре Шашковой, которую привели на площадку за день до съемок.
В фильме могла появиться и Фаина Раневская, но Семенов не откликнулся на просьбу Лиозновой и отказался от сцены с участием старой немки. Режиссер 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, Куравлёв — Айсмана. А Гитлером стал немецкий актер Фриц Диц, который еще с эпопеи «Освобождение» навечно прописался в этой роли.
Съёмки «Семнадцати мгновений весны» проходили и за границей, и в разных частях СССР. Сцену, где пастор Шлаг переходит швейцарскую границу, на самом деле снимали в Грузии. Застенки гестапо обнаружили в Бутырской тюрьме. Зоологический музей, где Штирлиц ждал Бормана, отсняли в Ленинграде.
Музыкальные композиции «Песня о далёкой Родине» и «Мгновения» на стихи Роберта Рождественского стали бесспорным украшением картины. Однако подобрать подходящего исполнителя для них оказалось непросто.
Для записи песен приглашались Муслим Магомаев, Валерий Ободзинский, Вадим Мулерман, Валентина Толкунова. В итоге сошлись на Иосифе Кобзоне. Однако режиссёр потребовала, чтобы он спел так, будто «в фильме и близко нет Кобзона».
На роль Штирлица пробовались Иннокентий Смоктуновский, Олег Стриженов и Арчил Гомиашвили. Кандидатуру последнего, прославившегося как Остап Бендер в «12 стульях», отстаивал автор романа Юлиан Семенов. Стриженов оказался занят, а Смоктуновского не устроило, что съемки могли растянуться на два года. На роль Мюллера рассматривался Всеволод Санаев. Но отказался: «Играть фашиста не буду!».
«17 мгновений» считаются самым дорогим советским сериалом, хотя реальный бюджет картины — тайна, покрытая мраком. Более того: на съемки было потрачено столько средств, что Лиозновой не хватало денег, чтобы завершить фильм.
Один из самых романтических эпизодов картины — встреча полковника Исаева с супругой в кафе Elefant в Германии. Хотя сцены свидания в кафе в романе Семенова не было. Ее предложил вставить Тихонов после общения с одним из разведчиков.