Идея экранизации самого масштабного по объёму и глубине произведения Достоевского пришла к режиссёру Ивану Пырьеву еще в 1950-х годах, но тогда мэтр посчитал эту задачу слишком сложной для себя. Он начал с материала, который считал проще. Пырьев снял одноименные фильмы по романам «Идиот» (1958) и «Белые ночи» (1959).
Работая над наследием Достоевского, советский режиссёр не просто переносил литературное произведение на экран, он переводил религиозно-консервативную философию автора на язык соцреализма. И надо сказать, что именно работы Пырьева во всем мире считаются каноническими экранизациями произведений писателя.
Ограниченность хронометража вынудила Пырьева сократить сюжетные линии и внести изменения в сюжет. В 1966 году был написан сценарий, плотный по событийному ряду. По замыслу автора, насыщенность сценария должна была придать произведению динамики. На студии «Мосфильм» сценарий был принят с незначительными правками, и фильм был запущен в производство.
На самом начальном этапе режиссёр привлёк к работе оператора Сергея Вронского (Тридцать три, Афоня, Табор уходит в небо), с которым детально проработал построение кадра. Пырьев хотел в этом фильме использовать как можно больше крупных планов, считая, что в контексте данного произведения глаза актера могут рассказать больше, чем самый насыщенный диалог.
Не менее дотошно режиссёр работал с художником-постановщиком Сталеном Волковым (Живые и мёртвые, Емельян Пугачёв), с которым он уже делал фильмы по Достоевскому - «Идиот» и «Белые ночи». Художник предложил для фильма черный, красный, коричневый и золотистый – так называемые «рембрандтовские» тона.
Съемочный процесс шёл в напряженном режиме, помимо павильонных съемок были командировки в Ростов, Истру, Суздаль и Загорск. Пырьев уже был сильно не молодым человеком и в кульминации съемочного процесса был госпитализирован, но вернулся на съемочную площадку при первых улучшениях вопреки протестам врачей.
Пырьев перенёс несколько инфарктов в процессе работы над фильмом и в итоге его сердце не выдержало, режиссёр умер, не завершив работу. Последнюю третью серию доснимали исполнители главных ролей Кирилл Лавров и Михаил Ульянов.
Картина вышла в 1969 году. Как и для Достоевского, для Пырьева "Братья Карамазовы" стали последней и незавершённой работой.