«Мосфильм» предложил главные роли в фильме кинозвёздам того времени: Анастасии Вертинской, Олегу Видову и Галине Польских. Меньшов видел в главной роли Маргариту Терехову, но она отказалась. Ирина Купченко тоже не смогла принять предложение из-за сценария.
В итоге режиссёр утвердил на роль Веру Алентову, свою жену. Меньшов и Алентова поженились на втором курсе школы-студии МХАТ. После рождения дочери их семья столкнулась с трудностями, но Меньшов сумел убедить Алентову вернуться к нему после успеха фильма «Розыгрыш». Сценарий «Москва слезам не верит» был предложен только Меньшову, который внёс 44 поправки, сделав его двухсерийным. Он также убедил свою жену сыграть главную роль.
На роль Гоши пробовались Виталий Соломин и Алексей Баталов. Меньшов настоял на том, чтобы роль досталась Баталову. Баталов согласился на роль, несмотря на возражения директора «Мосфильма». На роль Людмилы пробовались Жанна Болотова и Людмила Савельева, но Меньшов выбрал Ирину Муравьёву, несмотря на её непривлекательную внешность. Муравьёва согласилась на роль после множества проб. Людмила мечтала о большом счастье, но не могла сразу всё выиграть. В Москве живут дипломаты, художники, артисты и поэты, но Людмила стремилась только к одной цели. Людмила затмила главную героиню фильма, что вызвало досаду у Алентовой.
Антонина была скромной и тихой, но знала, чего хочет от жизни. Она вышла замуж за простого парня и родила троих детей, прожив счастливую семейную жизнь. Меньшов предложил роль Антонины Галине Польских, но она отказалась. Меньшов понимал, что яркие актрисы, такие как Муравьёва и Русланова, могут затмить Алентову.
Многие актёры отказывались играть Рудика, считая его негодяем. Юрий Васильев, несмотря на возраст, идеально подошёл на роль. Васильев сыграл Рудика убедительно, хотя был примерным семьянином. На роль матери Рачкова Меньшов искал актрису, которая бы вызывала и неприятие, и понимание у зрителей. Евгения Ханаева была приглашена на роль эксцентричной мамаши. Меньшов отстоял Ханаеву, несмотря на рекомендации «Мосфильма».
Эпизод возле Дома Кино Меньшов снял с участием звёзд 60-70-х годов. Леонид Харитонов, Георгий Юматов и Татьяна Конюхова появились в кадре. Смоктуновский сыграл роль, чтобы показать перепад времён и значимость известных актёров.
Цензура занималась не только идеологией, но и личным вкусом. Фильм был положен на полку, но Брежневу он понравился, и его выпустили на экраны. Фильм получил мешки писем от зрителей и критику от прессы. Несмотря на критику, фильм имел огромный успех и был куплен более чем в 100 странах. Создатели фильма получили государственные премии. Фильм получил премию американской киноакадемии «Оскар» в номинации «Лучший иностранный фильм».