Выбор Екатерины Градовой на роль радистки Кэт оказался снайперски точным. Актриса филигранно выстроила психологическую канву образа, опираясь на бесценные советы разведчицы-нелегала Анны Филоненко. За судьбой Кати, сдерживая слёзы, следила вся страна. Лиознова впоследствии вспоминала, как по окончании одной из серий ей дозвонились работницы какой-то ткацкой фабрики. Самой Татьяны Михайловны дома не было, и женщины насели на её маму, умоляя сказать только одно: закончится ли история Кэт благополучно, а то все переживают настолько, что работа в цеху стоит. В первоначальном варианте сценария была только одна женская роль. Если бы картину снимал режиссёр-мужчина, его, вероятно, это вполне устроило бы. Но Лиознова женским чутьём понимала: чтобы «очеловечить» Штирлица с его твёрдым характером и отсутствием порочащих связей, одной Кати Козловой будет мало. На эту роль, между прочим, пробовалась Ирина Алфёрова, но ослепительная красота сыграла против актрисы: режиссёр сочла, что соратница главного героя не должна в глазах зрителя затмевать его жену. Сцену встречи разлучённых супругов подсказал Лиозновой Тихонов, которому о такой практике рассказывал не кто иной, как ас советской разведки Конон Молодый. Поначалу Татьяна Михайловна добавила в эту сцену ещё и маленького сына, но на репетициях стало ясно: малыш переключает на себя внимание, и нужного накала «диалог» героя с любимой не достигает. Эту роль очень хотела сыграть Светлана Светличная, пробовалась и замечательная эстрадная певица Мария Пахоменко, но Лиознову пробы не удовлетворили, и игравший генерала Вольфа Василий Лановой предложил свою коллегу по театру — Элеонору Шашкову. Можно только пожалеть, что эти пять с половиной минут экранного времени оказались самой яркой киноролью этой тонкой и глубокой актрисы. Преданная соратница — на чужбине, верная и любящая жена — на родине. Для настоящего мужчины не так уж и мало. Однако Лиознова на этом не остановилась. Максим Исаев (о том, что это тоже не подлинное его имя, в картине не упоминается) рано остался без матери, и режиссёр придумала некую фрау Заурих, к которой и обращена вся его нерастраченная сыновняя любовь. Татьяна Михайловна очень хотела, чтобы в этой роли снялась Фаина Раневская, но наспех дописанные Семёновым сцены отличавшуюся крутым нравом Фаину Георгиевну не устроили. А режиссёр от своей идеи не отказалась и, пригласив сниматься Эмилию Мильтон, вдвоём с актрисой придумывала роль прямо на съёмочной площадке. Обладавшая отменным чувством меры Лиознова составила органичный дуэт из фрау Заурих и Габи: в роли безответно и безоглядно влюблённой женщины Светличная превзошла саму себя. Для Лиозновой проходных персонажей не существовало. И, пожалуй, самое яркое тому доказательство — «дама с лисой» в исполнении Инны Ульяновой. Сцена в баре — одна из самых сложных: картина подходит к концу, всё, что могло произойти, произошло, и ничто, помимо вопроса, отправится ли герой назад в Берлин или будет возвращён на родину, зрителя по большому счёту уже волновать не должно. Но не тут-то было! Одинокая дама в состоянии сильно подшофе вызывает искреннее сочувствие. И вся роль сделана фактически одной фразой: «Когда о нас, математиках, говорят, как о сухарях, это ложь! В любви я — Эйнштейн!» Что ж, в кино Татьяна Лиознова совершенно точно была Эйнштейном… Команда консультантов фильма была солидной и профессиональной, но неточностей и ошибок избежать всё-таки не удалось. Правда, далеко не всегда по недосмотру специалистов. Форма офицеров СС и СД с 1939 года была серо-зелёной. На чёрной настояли Лиознова и главный художник Борис Дуленков: в чёрно-белом кадре она смотрелась гораздо эффектнее. Ведомства Шелленберга и Мюллера располагались не только не в одном здании, но в разных концах города. Однако соблюдение исторической достоверности свело бы на нет несколько ключевых эпизодов фильма, например, случайность, благодаря которой Штирлиц увидел в коридоре солдат, несущих передатчик Эрвина.
