В фильме использованы материалы реально существовавшего уголовного дела. В первой серии Жеглов рассказывает Шарапову об одном случае из своей практики: убийство и инсценировка бандитского нападения. Такое преступление действительно было в Москве — дело бывшего зампреда военного трибунала войск НКВД Крылова, которое расследовал один из прототипов Шарапова Владимир Павлович Арапов. Имеет свою реальную основу и дело Груздева (кандидат медицинских наук Евгений Ильич Миркин в 1944 году был обвинён в убийстве своей жены и приговорен к смертной казни, однако работники МУРа сумели доказать его невиновность).

Члены преступной группировки (по именованию сотрудников МУРа «Банда высокого Блондина»), ставшей прототипом банды «Черная кошка», жили в подмосковном Красногорске. Они работали на Красногорском механическом заводе, а в свободное время промышляли грабежами сберкасс. В ликвидации этой банды принимал участие легендарный сыщик Игорь Скорин, послуживший прототипом полковника Данилова — главного героя серии произведений Э. Хруцкого, два из которых были экранизированы: «По данным уголовного розыска» и «Приступить к ликвидации».

Вопреки договору между Гостелерадио СССР и Одесской киностудией, фильм получился не из семи серий, а из пяти. Две «лишние» серии сократили перемонтажом по требованию Гостелерадио. Среди удаленных сцен оказались несколько фрагментов на фронте, объясняющих причины дружеских отношений Шарапова и Левченко. В первоначальном варианте большой кусок на фронте был показан сразу же после немой сцены, когда Шарапов узнал Левченко, и как воспоминания Шарапова при их разговоре ночью.

Лариса Удовиченко утверждает, что ставшая крылатой фраза «Облигация или Аблигация?» вырвалась у неё нечаянно, так как она в тот момент действительно не знала правильного написания этого слова. Этот эпизод включён в финальную версию фильма.

Когда в пятой серии Горбатый и Промокашка требуют от Шарапова сыграть на пианино, Шарапов исполняет Шопена — этюд f moll, Op. 25 № 2.

В ресторане, где Фокс танцует с официанткой, за одним столиком с Жегловым сидит дочь писателя Аркадия Вайнера Наталья Дарьялова и сын друга Высоцкого Вадима Туманова, Тараскин танцует с Ларисой Гузеевой, а на заднем плане среди музыкантов на саксофоне играет Сергей Мазаев. Он же играет в составе оркестра в последней серии, в кинотеатре перед показом фильма (песня «Неудачное свидание»).

В своё время была идея снять продолжение фильма. На столе Вайнеров лежала папка с проектом сценария, написанного Высоцким. Однако Говорухин поставил точку в обсуждении темы: «Жеглов умер, Шарапов стар, с кем и зачем продолжать?»

В 1990 году группа «Любэ» спела песню «Атас» про главных героев фильма.

Шансонье Михаилом Шелегом была исполнена песня «Чёрная кошка» про главных героев фильма.
Памятник В. Высоцкому в образе Глеба Жеглова установлен в Мариуполе в центре города, рядом с рестораном «Место встречи».

14 апреля 2009 года в Киеве возле здания МВД Украины открыли памятник Жеглову и Шарапову.
В титрах фильма указан сын Марины Влади и Робера Оссейна — Пьер Оссейн, присутствовавший на съёмках, хотя сам Пьер, просматривая фильм так и не смог найти себя. Вероятно сцена с его участием была вырезана.

В роли Галины Желтовской снялась первая жена С. Говорухина — Юнона Карева.

В роли Шарапова В.Высоцкий хотел видеть другого артиста - А.Молчанова, но тот отказался от роли.

Сцены в картине: опознание Фокса и освобождение Груздева были сняты под режиссурой Владимира Высоцкого.

После того, как Вайнеры подарили Владимиру Высоцкому один из первых экземпляров только что вышедшего романа «Эра милосердия», тот пришёл к ним и сказал:
— Я пришёл застолбить Жеглова…
Вайнеры удивились: — В каком смысле «застолбить»?
— Это будет фильм. Наверное, большой. И это моя роль. Никто вам так не сыграет Жеглова, как я…

Высоцкий внёс не только актёрский, но и режиссёрский вклад в фильм. Именно благодаря ему в фильме появились эпизоды с шепелявым карманником Кирпичом Станислава Садальского, чей образ был создан с подачи Высоцкого, фотографией Вари на двери подвальной каморки, которая должна была спасти Шарапова. Когда Говорухин отсутствовал на съёмочной площадке, то оставлял Высоцкого «за старшего». Именно благодаря этому в фильме появилась сцена допроса Груздева, полностью поставленная Высоцким.

Во время съёмок Высоцкий сильно разругался с Говорухиным и уехал. Поэтому сцену погони за грузовиком Фокса снимали без него. Крупные планы Жеглова («Пасюк! Ваня, а ну держи меня! — Как держать? — Нежно!») доснимали позже, когда Высоцкий «отошёл» и приехал.

Это один из немногих фильмов, где Высоцкий поёт не свои песни. Для фильма он написал песню «О конце войны», но Говорухин отказался включать её в киноленту, так же, как и предложенную «Балладу о детстве». Когда Говорухин предложил ему спеть отрывок из романса Александра Вертинского «Лиловый негр», Высоцкий ответил: «Если ты не хочешь, чтобы я спел свое, не буду петь и Вертинского», однако поддавшись на уговоры, в одной из сцен, играя на пианино, произносит несколько строк из «Лилового негра», но, будучи верным своему слову не петь, каждый раз перебивает их репликами, обращенными к Шарапову.

В 1987 году Высоцкому была посмертно присуждена Государственная премия СССР за создание образа Жеглова.