Действие фильма происходит в Германии в последние месяцы Второй мировой войны. Главный герой, Макс Отто фон Штирлиц, работающий в службе безопасности СС, на самом деле является советским разведчиком Максимом Исаевым, использующим эту личину для разоблачения тайных контактов Третьего рейха с США и Великобританией, планирующими заключить с Гитлером сепаратный мир.

Постепенно действия Штирлица начинают вызывать подозрения у нацистского руководства: под него начинает копать Эрнст Кальтенбруннер, один из представителей высших чинов СС. Кроме того, прерывается связь между Исаевым и СССР, так как оба его радиста оказываются дискредитированы.

Тем временем американо-немецкие переговоры идут полным ходом. Чтобы сорвать планы Гиммлера, защитить свою последнюю союзницу, разведчицу Кэт, и защитить Родину от враждебного сговора, Штирлицу придется проявить все свое мужество и хладнокровие, подчас отказываясь даже от собственной человечности…

• Хотя сюжет фильма основан на одноименном романе Юлиана Семенова, сценарий был написан еще в 1968 году, задолго до публикации книги. Это был уже третий роман о приключениях Штирлица-Исаева, а инициатором киноадаптации стал сам Андропов, большой поклонник книжного героя. Он даже предложил Семенову доступ к секретным архивам КГБ. Поэтому события фильма и романа имеют историческую основу: подобные контакты между англо-американским руководством действительно нередко происходили на территории Швейцарии. В частности, переговоры Вольфа с Даллесом имели место быть, хоть и не совсем таким образом, как это происходило в книге.
• Экранизацию решено было снимать на киностудии имени Горького. Татьяна Лиознова в то время была достаточно молода и неопытна, и ей пришлось приложить немало усилий, чтобы убедить руководство передать ей постановку. Тем не менее, женский на столь мужскую тему помог очеловечить мир серых мундиров, в котором существовал главный герой. Именно Лиознова внесла в сценарий правки, добавившие в историю женских персонажей.
• Вячеслав Тихонов, исполнивший главную роль, тоже настоял на том, чтобы привнести в сюжет фильма любовную линию. Любопытно, что изначально актер, ставший звездой сразу после телепремьеры фильма, даже не рассматривался на роль Исаева: он попал на пробы случайно, предложенный одним из ассистентов Лиозновой. Перед прослушиванием Тихонова чудовищно загримировали, так что режиссер не могла смотреть на него без смеха, но как только актер зачитал свои реплики, она тут же изменила свое решение.
• В основном фильм снимался в павильонах студии Горького. На несколько смен группа выезжала в ГДР, снимая натуры в Берлине и в Мейсене. Поскольку в съемках были задействованы звезды первого эшелона советского кино, они постоянно были заняты на других проектах, и часто снимать основные сцены приходилось по ночам. За три года напряженной работы участники съемочной группы неоднократно менялись, а актеры второго плана, эпизодники и массовка часто утверждались за несколько часов до начала сцены.
• В фильме практически отсутствует экшен: все напряжение строится на ведущихся в сердце Третьего рейха интригах. Главный герой в основном разговаривает, пишет письма и звонит по телефону; за все 12 серий он делает один выстрел. Для раскрытия характера героя используются только мелкие, едва заметные детали, доступные лишь внимательному зрителю. Кроме того, знаменитым стал холодный, напряженный взгляд Тихонова, выдающий тяжелую внутреннюю борьбу. По словам Тихонова, для создания невыразительной мимики героя он постоянно прокручивал в голове таблицу умножения.
• Практически все советские актеры поначалу отказывались играть нацистов. Особенно тяжело дались пробы на роль Гитлера. В конечном итоге его сыграл немецкий актер Фриц Диц, необычайная схожесть которого с фюрером сделала его постоянным исполнителем этой роли на советских экранах.