Штирлица мог сыграть «Остап Бендер» из картины «12 стульев» Леонида Гайдая — Арчил Гомиашвили. Актер ухаживал за режиссером Татьяной Лиозновой. И всячески убеждал ее поверить в его талант. Даже придумал хитрость: собрал на большое застолье в дорогом ресторане коллег-кинематографистов и устроил «самопрезентацию». Но попыток давления на себя режиссер не стерпела. И согласилась с мнением Госкино, которое видело в роли советского разведчика только Вячеслава Тихонова, отодвинув в сторону даже Иннокентия Смоктуновского, Юрия Соломина и Олега Стриженова.

Евгений Евстигнеев сыграл профессора Плейшнера и его брата Бруно, антифашиста-подпольщика, с которым сотрудничал Штирлиц. К созданию образа актер приступил с походки и долго работал над ней. Это должна была быть походка счастливого человека, который перебрался в Берн: Плейшнер ходит по городу размашисто, руки заложены за спину, голова приподнята. Когда позже Владимир Бортко пригласил Евгения Евстигнеева на роль профессора Преображенского в фильм «Собачье сердце», то снова увидел в актере Плейшнера. И попросил изменить походку. И своему следующему профессору народный артист СССР придумал новый образ.

Специально для руководства КГБ СССР был устроен спецпоказ фильма. Для высокого начальства привезли две серии «Семнадцати мгновений весны». Съемочная группа тоже приехала на премьеру. Артисты не знали, как отреагирует особый зритель на такое изображение противника. Но когда глава Комитета госбезопасности Юрий Андропов пригласил съемочную группу к себе домой, все расслабились. «Так хорошо играть бригаденфюрера СС — безнравственно», — сказал Олегу Табакову руководитель КГБ СССР. После этих слов режиссер поняла, что переживать не стоит — фильм принят.

Некоторые особо беспокойные зрители выяснили номер Лиозновой и звонили ей после каждой серии, чтобы узнать о судьбе героев.

Жену Штирлица сыграла актриса Театра Вахтангова Элеонора Шашкова. Но Светлана Светличная, которая уже получила в фильме роль влюбленной в разведчика Габи, убеждала режиссера Татьяну Лиознову, чтобы ее героиню и жену Штирлица сыграла одна актриса. Ведь по сюжету Габи напоминала разведчику его супругу в молодости, и было бы логично, чтобы внешнее сходство оказалось максимальным. Однако режиссер отвергла предложение Светланы Свеличной. У любимой женщины Штирлица по сценарию не было слов —знаменитая сцена в кафе «Элефант» была сыграна Элеонорой Шашковой безмолвно.

Олегу Табакову после выхода на экраны «Семнадцати мгновений весны» пришла открытка с Санта-Клаусом и оленями из Германии — Вальтер Шелленберг в исполнении советского артиста убедил родных бригаденфюрера СС. Сам Олег Павлович не раз вспоминал, что до этой картины немцы в советских фильмах как правило показывались карикатурно. А у Лиозновой эсэсовцы предстали достойными противниками. Вот и племянница Шелленберга написала в открытке Олегу Табакову, что актер сумел передать дорогие для их семьи черты. Она поблагодарила его за доброту, с которой он создал образ ее дяди, и поздравила с Рождеством.

Леонид Броневой сыграл Мюллера и наполнил роль яркими штрихами. Шеф гестапо в исполнении народного артиста постоянно дергал шеей. Оказалось, этот жест родился спонтанно на площадке. Ворот мундира ему был тесен и врезался в шею. Но режиссер, заметив подергивания, попросила Леонида Сергеевича оставить это движение, превратив его в особенность нервной системы Мюллера.

А был ли мальчик? Вернее, девочка. По сюжету, радистка Кэт родила сына. Но в СМИ по сей день гуляет версия, что эту роль сыграла… дочь актрисы Екатерины Градовой и Андрея Миронова — Маша Миронова. Этот «факт» указан даже на некоторых весьма уважаемых киносайтах. Хотя на самом деле это — миф. Мария Миронова не могла играть ребенка Кэт. Фильм снимали в 1972 году, а она родилась 28 мая 1973 года.

Еще один интересный факт о съемках младенца. Так как с детьми на площадке сложно — они плачут, работать с ними можно ограниченное количество времени, да и растут они быстрее, чем снимают фильм — создатели хотели заменить младенца куклой. Но решили, что живой актер — честнее. В итоге к съемкам были привлечены шесть мамочек с новорожденными.

Во время родов Кэт выдала себя, закричав по-русски. По сюжету допрос радистки проходил под давлением — ее ребенка держали у открытого окна. Но на самом же деле, в съемочном павильоне было так тепло, что ребенок просто-напросто… отказывался плакать.

Пастор Шлаг в исполнении народного артиста СССР Ростислава Плятта мог и не перейти через Альпы, как полагалось по сценарию. Ведь до съемок в фильме «Семнадцать мгновений весны» актер никогда не катался на лыжах. Плятт сказал режиссеру Татьяне Лиозновой, что ручается только за пять шагов. Как вспоминал Ростислав Янович, он действительно прошел эти пять шагов, а потом упал в снег. Плятт волновался каким будет монтаж. И только на премьере, услышав спасительную фразу закадрового текста в исполнении Ефима Копеляна: «У Штирлица защемило сердце. Он увидел, что пастор совсем не умеет ходить на лыжах», — вздохнул с облегчением.