В качестве главного консультанта фильма в титрах указан генерал-полковник С. К. Мишин. На самом деле под этим псевдонимом скрывался первый заместитель председателя КГБ СССР, генерал-полковник Семён Кузьмич Цвигун. Впоследствии как соавтор сценария фильма «Фронт без флангов» (также с участием Вячеслава Тихонова) Цвигун выступил под псевдонимом Семён Днепров.
Леонид Куравлёв и Леонид Броневой первоначально пробовались на роль Гитлера.
У режиссёрской группы не было фотографий реального Генриха Мюллера. В результате образ шефа Гестапо, созданный в фильме Леонидом Броневым, весьма далёк от оригинала. В частности, в фильме Мюллер выглядит существенно старше Штирлица (а его реплики: «Я старше вас, и по возрасту, и по званию» и «Сколько вам будет в 1965-м? Под семьдесят? …А мне под восемьдесят» подтверждает впечатление о заметной разнице в возрасте). В действительности же, как актеры Тихонов и Броневой, так и их герои Штирлиц и Мюллер — ровесники (первые — 1928-го года рождения, вторые — 1900-го). Внешне реальный Мюллер был больше похож на Тихонова, чем на Броневого.
Олег Табаков оказался так похож на реального Вальтера Шелленберга, что, по воспоминаниям Ю. Визбора, после выхода фильма на экраны Табакову пришло письмо из Германии от племянницы Шелленберга, в котором актёра благодарили и говорили, что неоднократно пересматривали фильм, чтобы ещё раз взглянуть на «дядю Вальтера».
У Вячеслава Тихонова на кисти левой руки есть татуировка «Слава», сделанная ещё в молодости. Естественно, что у Штирлица такой быть не может. Поэтому, всякий раз когда требовалось показать крупным планом руки Штирлица (например, выкладывание на столе забавных зверюшек из спичек), это были руки дублера — ассистента художника Феликса Ростоцкого. Также Ростоцкий «писал за Плейшнера» все телеграммы, так как у Евстигнеева был крайне неразборчивый почерк.
Композитор Микаэл Таривердиев и поэт Роберт Рождественский написали для фильма цикл из 12 песен — по одной на каждую серию. Но в фильм в итоге вошли только две из них — героическая «Мгновения» и лирическая «Песня о далёкой Родине».
Председатель КГБ СССР Ю. В. Андропов, без одобрения которого фильм не мог выйти на экран, просматривал его по ночам — другого времени у него не было. По рекомендации Андропова в фильм внесли только одно изменение: добавили упоминание о германском рабочем движении и Эрнсте Тельмане.
В дублированном на немецкий язык варианте фильма Штирлица озвучивал актёр из ГДР Отто Мелиес — исполнитель роли Гельмута. Самого Мелиеса дублировал другой немецкий актёр.
Сюжет советского фильма «Секретная миссия» (1950, режиссёр М. Ромм) построен на тех же событиях — разоблачение советской разведкой сепаратных переговоров Гиммлера с англичанами и американцами. Советским резидентом в этом фильме была женщина, в финале она погибает.
Мюллер — первая кинороль Леонида Броневого, которая принесла ему всесоюзную известность. Таким образом, он стал популярным артистом только в 45 лет.
В романе Ю. Семенова Штирлиц ездит на автомобиле марки «Хорьх» (Horch). На пробах фильма Тихонов (Штирлиц) действительно снимался на роскошном «Хорьх-853» 1935 года, принадлежавшем известному московскому коллекционеру Александру Алексеевичу Ломакову. Машину утвердили. Но начало самих съёмок затянулось на несколько месяцев. И хозяин машины подписал договор с другой киногруппой на съёмки этого же автомобиля в известном советском боевике «Бархатный сезон» в г. Сухуми. Так Штирлиц стал в фильме ездить на значительно более дешёвом «Мерседес-Бенц-230» 1938 года.
Эпизод с переговорами Вольфа и Даллеса запечатлён также в киноэпопее Освобождение. Однако здесь обергруппенфюрер отправляется в Берн по приказу Гитлера.
Эпизод, в котором к Штирлицу, пришедшему в ресторан на встречу со связным, приставала пьяная дама с лисой, снимался в московском кафе «Лира», расположенном в дальнем конце Пушкинской площади, в начале Малой Бронной.
В поездке с пастором Шлагом Штирлиц слушает песню «Милорд» в исполнении Эдит Пиаф. Однако песня эта была написана лишь в 1959 году
На вопрос «страхового агента», где была заключена страховка, Кэт отвечает: «На углу Курфюрстендамм и Кантштрассе». На самом деле эти улицы параллельны друг другу.
В сцене, где Штирлиц спит в машине, в заднее стекло видно, как проезжает советский грузовик ЗИЛ-130, производимый с 1962 года.
На правых рукавах мундиров Мюллера и Штирлица присутствуют нашивки в виде тонкого шеврона. Это отличительный знак «старых борцов», вступивших в НСДАП до её прихода к власти в 1933 году. Штирлиц имел право на такую нашивку, однако Мюллер вступил в партию только 31 мая 1939 года.
Сотрудники гестапо и СД в основном носят чёрную униформу СС образца 1934 года; на самом деле данная форма вышла из повседневного употребления к 1939 году и в структурах РСХА была заменена полевой формой серо-зелёного цвета (feldgrau) по образцу Ваффен-СС и Вермахта. (Факт требует детальной проработки и уточнения, так как консультантом по немецкой униформе на съёмках картины был бывший сотрудник SS Хайнц Браун. Сомнительна его некомпетентность и ошибка в этом вопросе.)
В сцене, где Кэт пытают, выкладывая её ребёнка на мороз, сначала видно, что на голове ребёнка есть чепчик. Через некоторое время, когда ребёнка показывают вновь, видно, что чепчика нет.
В Берне нет и никогда не было Цветочной улицы. А если бы и была, то писалась бы не Blümenstraße (как в фильме), а Blumenstraße (без U-умляута).
В сцене отправки телеграмм видно, что они пишутся на бланках «Международная телеграмма СССР» с замазанным чернилами гербом.
Лётчик-курьер, которого Вольф отправляет с пакетом, садится в советский самолёт Як-12, затем по полосе разбегается совершенно непохожий на него истребитель Мессершмитт Bf.109, а взлетает уже Фокке-Вульф Fw 190.
Сцена на аэродроме — Шелленберг встречает Вольфа. На аэродроме стоят Ан-2 со свастикой (выпускаться самолёт начал с 1947 года). Сотрудники гестапо встречают Вольфа, стоя рядом с УАЗ-452 — «Буханкой».
Диктофон Siemens, которым пользуется Штирлиц в оперативной работе, на самом деле советский диктофон «Электрон-52Д» выпуска 1969 г. Он транзисторный (первый транзистор создан в 1947 г.), обеспечивает непрерывную запись в течение всего лишь 10 минут, и, кроме того, не имеет встроенного громкоговорителя — слушать запись можно только через наушники.
Когда Штирлиц сжигал на кухне магнитную ленту с записями Клауса (2-я серия), дым и вонь должны были распространиться на весь дом, и Клаус не мог бы этого не заметить. Вообще, магнитофоны того времени работали преимущественно с магнитной проволокой, а не с лентой.
Женщины в СС не служили, за исключением так называемых Женских вспомогательных подразделений СС, которые имели собственную систему званий. Так что унтершарфюрер Барбара Крайн не могла иметь даже прототипа.
В кабинете Мюллера на стене висят советские часы «Слава», выпускавшиеся в 1970-х годах.
О Геббельсе в его личном деле по фильму сказано: «Образование среднее». На самом деле он являлся доктором философии Гейдельбергского университета и защитил диссертацию о драматургии. Гауляйтером Берлина он был назначен не в 1944 году, как сказано в фильме, а в 1926 г.
У Геринга по его личному делу в фильме — «образование среднее». В действительности он окончил Военную академию в Карлсруэ и военное училище в Берлине Лихтерфельде — с максимально возможной суммой выпускных оценок, за что был лично поздравлен кайзером Вильгельмом.
IV управление РСХА (гестапо) и VI управление (СД-Заграница) располагались в разных зданиях: гестапо — на Принц-Альбрехтштрассе, 8 (кабинет Мюллера вообще на Принц-Альбрехтштрассе, 9), а служба Шелленберга находилась по адресу: Беркаерштрассе, 32 — в другом конце города.
Когда Штирлиц с Плейшнером прибывают в Швейцарию, Штирлиц идёт к киоску, на котором написано «Журналы» — «Zeitschrifte». Правильным было бы написание «Zeitschriften».
В фильме мелькает неправильное написание слова «Птицы» (на лотке с птичьим кормом): «Fögel» вместо верного «Vögel».
Пастор Шлаг упоминает название кабачка «У пухлого Готтлиба», в то время как на вывеске написано «Zum Grobe Gottlieb» («У грубого Готтлиба»). В романах Семёнова также фигурирует именно «Грубый Готтлиб», причём подчёркивается, что название это полностью отражает манеру обращения хозяина с клиентами.
В сцене, где Штирлиц провожает Кэт на вокзале, надпись на вагоне «38 Plätze» написана без умляута («38 Platze»). Видна довольно грубо замазанная надпись по-русски «ТАРА 58 Т». Сами вагоны — хоть и немецкого производства, но выпускавшиеся специально для СССР на заводе «Аммендорф» в городе Галле (ГДР) в 1948—1996 гг. Модели вагонов, показанных в фильме, произведены не ранее конца 1960-х годов.
Спускаясь со Штирлицем в «подвалы гестапо», Мюллер снимает с пояса и сдаёт дежурному довольно крупный пистолет (предположительно Вальтер P-38). Он должен был быть очень заметен под кителем, но ни в одном эпизоде этого не наблюдается.
Когда Штирлиц едет к радистам, он по пути на Кёпеникерштрассе якобы проезжает по Байройтерштрассе. На самом деле эта улица расположена далеко от района Кёпеник и находится не на его пути.
В качестве автомобиля Штирлица снимались как минимум две машины одной модели с мелкими, но заметными отличиями (у одной из них есть задний откидной багажник, у другой нет; по-разному выглядит рулевое колесо).
В эпизоде, когда Штирлиц рисует шаржи на Геринга, Гиммлера, Геббельса и Бормана, заметно, что на листках бумаги заранее намечены контуры рисунков.
В последней серии после сцены со Сталиным следующий эпизод — Штирлиц идёт по ночному Берну. В витрине отражается неоновая вывеска на русском: «Гардинное полотно».
В пятой серии, на 25 минуте, когда Штирлиц выходит из кафе, в окнах его автомобиля видна камера, оператор и его ассистент — женщина, одетая в свитер, и с большим браслетом на правой руке.
В кафе, где Штирлиц виделся со своей женой, часы на стене показывают время, не соответствующее времени по сюжету.
Штирлиц курит, что противоречит политике борьбы с курением в Третьем Рейхе. В 1939 году НСДАП ввела запрет на курение во всех своих учреждениях, а Гиммлер запретил офицерам СС и полиции курить в рабочее время (см. Борьба с курением в нацистской Германии).
В аквариуме Мюллера плавают мраморные гурами, которые появились только в 1956 году.