В число претендентов на главную роль входили Иннокентий Смоктуновский, Олег Стриженов и Юрий Соломин — все они рассматривались как потенциальные исполнители роли Штирлица, но уступили место Тихонову. Что касается персонажа Шелленберга, то его изначально прочили Андрею Миронову, однако от этой идеи отказались из-за чрезмерной популярности артиста: создатели опасались, что зрители будут узнавать в герое самого Миронова, а не нацистского разведчика. В итоге эту роль сыграл Олег Табаков, а Генриха Мюллера блестяще воплотил Леонид Броневой...