В основе фильма лежал сюжет одного из романов популярного писателя Юлиана Семенова – автора многочисленных книг о приключениях советского разведчика Исаева, работавшего в разведке фашистской Германии под именем Макса Отто фон Штирлица. Этот уникальный телепроект состоялся лишь благодаря таланту и настойчивости режиссера Татьяны Лиозновой.
Не только на главные, но даже на эпизодические роли в этом фильме были приглашены крупнейшие актеры. В главной роли – Исаева-Штирлица выступил Вячеслав Тихонов. Образ его основного противника – шефа нацистской политической полиции (гестапо) Мюллера прославил уже немолодого артиста Леонида Броневого. В ролях антифашистов, помогавших Штирлицу в его борьбе, выступили Ростислав Плятт (пастор Шлаг) и Евгений Евстигнеев (профессор Плейшнер). В числе актеров, сыгравших руководителей фашистской Германии, ее разведки и армии, были Юрий Визбор (Борман), Олег Табаков (Шелленберг), а также Николай Гриценко (генерал в поезде).
Единственная крупная женская роль в этом фильме досталась актрисе Екатерине Градовой (советская разведчица-радистка Катя Козлова, она же Кэтрин Кин). Однако зрителям запомнились и эпизодические женские образы: великолепная фрау Заурих (Эмилия Мильтон), Габи (Светлана Светличная), а также пьяная проститутка из бара (Инна Ульянова).
В ленте также засветился латвийский актер Паул Буткевич, сыгравший советского связного в отеле ""Горные лыжники".
Воистину народными стали песни Микаэла Таривердиева, исполненные Иосифом Кобзоном.