Сценарий Татьяне Лиозновой понравился гораздо меньше, чем книга. Она взялась за переделку и попросила Семёнова добавить в сюжет мелодрамы и личной жизни разведчика. У писателя детективов это не было сильной стороной, поэтому романтику пришлось вписывать самой Лиозновой. Она добавила в окружение Штирлица несколько персонажей «без мундиров», например, влюблённую Габи и фрау Заурих… Работа над сценарием на всю жизнь рассорила режиссёра с писателем, который не хотел, чтобы в титрах Лиознова указывала себя как второго сценариста.

Вообще этот фильм стоил Лиозновой многих отношений. На неё был обижен и Иосиф Кобзон, который исполнил знаменитые «Мгновения» и «Песню о далёкой Родине». Лиознова просила певца петь в несвойственной ему манере, так как не хотела, чтобы зритель узнал его по голосу. Кобзона это серьёзно задело, но просьбу он выполнил.

В фильме использовалось много документальной хроники. Для того, чтобы не было заметного перехода от кино к документалистике, Татьяна Лиознова решила делать весь фильм чёрно-белым. Сначала документальных кадров было гораздо меньше, но после показа смонтированного варианта руководству телевидения и чинам разных структур на режиссёра посыпались упрёки от военных. Их обидело ощущение, что войну выиграли преимущественно разведчики. Татьяна Лиознова включила в фильм метры военной хроники, и претензии были сняты.

Главным претендентом на роль Штирлица был Арчил Гомиашвили. У них с Татьяной Лиозновой был роман, да и Юлиан Семёнов одобрил его кандидатуру. Но худсовет сразу отверг Штирлица с гордым грузинским профилем. Актёр настолько обиделся, что Лиознова не отстояла его кандидатуру, что уехал в Тбилиси и роман вскоре закончился…
На роль главного киноразведчика страны пробовались Иннокентий Смоктуновский, Олег Стриженов и Юрий Соломин, но никто из них не был готов отдать проекту несколько лет. В отличие от Вячеслава Тихонова. Актёра пригласили на пробы, загримировали, приделали пышные усы и… режиссёр пришла в ужас. Но её покорило умение Тихонова выразительно молчать и играть взглядом, а пообщавшись она поняла, что лучшего Штирлица не будет.

Роль Мюллера сначала предложили Всеволоду Санаеву, но тот отказался «играть фашиста». Тогда утвердили Леонида Броневого, хотя Лиознова считала, что для шефа гестапо у актёра слишком доброе лицо. Леонид Куравлёв пробовался на роль Гитлера, но образ получился неубедительным. Тогда режиссёр завязала ему один глаз и попросила оставшимся «прожечь» присутствующих, с этим Куравлёв справился отлично и его утвердили на роль Айсмана. Радисткой Кэт режиссёр видела Екатерину Градову или Ирину Алфёрову, а так как Алфёрова не приехала на пробы — выбор стал очевиден. Олег Табаков был утвержден на роль Шеленберга, как оказалось, к большой радости потомков генерала. Они написали актёру, что образ получился один в один, и когда они хотят взглянуть на «дядю Вальтера», то смотрят «Семнадцать мгновений весны».

Когда в кадре крупным планом появляются руки Штирлица — это руки не Вячеслава Тихонова, а работавшего на картине художника. Дело в том, что у актёра на тыльной стороне кисти был привет из молодости — большая чернильная татуировка «Слава». Гримом её скрыть не удавалось, а у разведчика не могло быть никаких татуировок. Если присмотреться, то можно отметить, что вообще на крупных планах у Тихонова чаще всего видна только одна рука. За Евгения Евстигнева шифровки в кадре тоже писал художник — у актёра был такой отвратительный почерк, что все буквы и цифры были похожи друг на друга.

Съёмки шли три года, и за это время съёмочная группа объехала массу городов в разных странах. Берлин снимали в настоящем Берлине, эпизоды с пастором Шлагом и швейцарской границей — в Тбилиси и Боржоми, явка разведчика была провалена на улице Яуниела в Риге, Штирлиц ждал Бормана в Ленинградском зоопарке, агента Клауса убили в подмосковном лесу.
Бывало так, что одну короткую сцену снимали в разных городах. Так профессор Плейшнер шел по немецкому городу Майнцу, затем смотрел на медвежат в Тбилиси, доходил до Цветочной улицы и выбрасывался из окна конспиративной квартиры уже в Риге… Сейчас около дома с «конспиративной квартирой» по улице Яуниела открыт отель «Юстас» с прилегающим рестораном «Алекс».

Съёмки убийства Клауса, которого играл лев Дуров, пришлось проводить в Подмосковье не просто так. Актёра не выпустили за границу по результатам собеседования с парткомкомиссией! Лев Дуров отличался вспыльчивым характером и отменным чувством юмора и всё это продемонстрировал комиссии. Вопрос «Опишите советский флаг» показался ему настолько глупым, что он описал пиратский флаг Весёлый Роджер. Комиссия удивилась, но продолжила задавать вопросы. Дуров решил, что хуже уже не будет и в ответ нёс полную ерунду: называл Малаховку и Тамбов союзными республиками и говорил, что не знает ни одного члена Политбюро, так в нём не состоит.
Режиссёру оскорблённый расспросами актёр сказал, что у нее два выхода — брать другого актёра или убивать Клауса в советских лесах, а лично он больше ни на какую выездную комиссию не пойдет…

Сцена встречи Штирлица с женой в кафе «Элефант» сначала планировалась ещё пронзительней. Вячеслав Тихонов предложил показать разведчику не только жену, но и их ребёнка. Идея была хорошей, но режиссёр боялась, что ребёнок может отвлечь внимание зрителя, а ей хотелось бы показать силу женских чувств. Жену Штирлица рвалась сыграть Светлана Светличная. Она уже снималась в роли влюблённой Габи, и ей хотелось второй ролью подчеркнуть женский типаж, который нравится разведчику, но Лиознова не захотела снимать с роли Элеонору Шашкову.
На самом деле на съёмках этой сцены Тихонов и Шашкова не сидели друг напротив друга — их снимали по отдельности. Актриса была очарована партнёром и ей достаточно было просто видеть его в павильоне, чтобы её глаза выражали всё, что нужно… А Тихонов для того, чтобы сделать взгляд проникновенным, вспоминал таблицу умножения.

Существует легенда, что у Штирлица был реальный прототип — гестаповец Вильгельм Леман, который работал на советскую разведку, и до сих пор никто точно не знает по идейным или меркантильным соображениям. На самом деле Леман никак не мог быть прототипом — данные о нём были рассекречены гораздо позже, чем Юлиан Семёнов написал цикл о разведчике Максиме Исаеве. источник