Всеволод Абдулов — Петюня, опердежурный Пётр Соловьёв
Андрей Градов — Николай Тараскин
Наталья Данилова — Варя, младший сержант Варвара Синичкина, подруга Шарапова (озвучание — Наталья Рычагова)
Евгений Леонов-Гладышев — Василий Векшин
Павел Махотин — Павел Владимирович, следователь прокуратуры
Александр Милютин — Иван Пасюк
Алексей Миронов — Иван Алексеевич Копытин (по книге — Копырин)
Генрих Осташевский — генерал, выступающий с докладом на праздничном вечере в клубе Управления милиции
Владлен Паулус — Родионов, эксперт МУРа
Лев Перфилов — Гриша «Шесть-на-девять», фотограф Григорий Ушивин
Евгений Шутов — подполковник Сергей Ипатьевич Панков
Евгений Стежко — Топорков

Соседи Шарапова:

Зиновий Гердт — Михаил Михайлович Бомзе
Нина Корниенко — Шурка, Александра Баранова
Игорь Старков — инвалид Семён, муж Шурки
Свидетели, проходящие по делу Ларисы Груздевой:
Юнона Карева — Галина Желтовская
Светлана Светличная — Надя, сестра Ларисы Груздевой
Николай Слесарев — Фёдор Петрович Липатников, сосед Груздевых
Наталья Фатеева — Ингрид Карловна (Ира) Соболевская
Сергей Юрский — Иван (по книге — Илья) Сергеевич Груздев

Банда «Чёрная кошка»:

Александр Абдулов — водитель хлебного фургона, Лошак
Александр Белявский — Евгений Петрович Фокс
Иван Бортник — Промокашка
Армен Джигарханян — Карп («Горбатый»)
Владимир Жариков — бандит с ножиком, в романе его называют "Чугунная рожа"
Валерия Заклунная — Клавдия, подруга Карпа
Виктор Павлов — Сергей Левченко
Олег Савосин — Алексей Диомидович Тягунов
Татьяна Ткач — Анна Петровна Дьячкова, подруга Фокса
Олег Федулов — Шофёр Есин, убийца Векшина
Наталья Ченчик — подставная «Аня»

Прочие уголовники и околоуголовные элементы:

Екатерина Градова — Светлана Петровна Волокушина
Людмила Давыдова — Верка-модистка, Вера Степановна Маркелова (по книге — Моторина)
Евгений Евстигнеев — вор Ручечник, Пётр Ручников
Леонид Куравлёв — уголовник Копчёный, Валентин Бисяев
Станислав Садальский — карманник Кирпич, Константин Сапрыкин
Лариса Удовиченко — Манька Облигация, Мария Афанасьевна Колыванова

Другие:

Зоя Василькова — потерпевшая, которой карманник Кирпич порезал сумку в трамвае
Миша Епифанцев — внук сторожа магазина
Наталья Крачковская — певица в кинотеатре
Валентин Кулик — певец в кинотеатре
Нина Озорнина — работница ресторана
Валерий Янклович — администратор театра
Элла Ярошевская — работница ресторана
Наталья Петрова — Марианна, работница ресторана
Сергей Мазаев — саксофонист в ресторане
Гузеева Лариса Андреевна - эпизод в ресторане - девушка, танцующая с Тараскиным

• В конце второй серии Промокашка рисует окурком чёрную кошку по контуру, очерченному ранее самим Говорухиным. При этом сгоревшим табаком невозможно провести линию длиннее трёх сантиметров — потом горелый табак кончается и крошится.
• На Ручечнике (сцена в Большом театре) — чешский костюм пошива 70-х годов.
• Радиаторы отопления в МУРе, в квартире убитой Груздевой, и так далее с широкими секциями, когда в то время радиаторы отопления были с узкими секциями. Географии фильма и ошибкам, в нём допущенным, посвящено несколько интернет-сайтов.
• Когда у Соловьёва (испугавшегося Фокса, в Марьиной рощи) забирают револьвер Наган, то спрашивают снимал ли он оружие с предохранителя. В книге фигурирует пистолет ТТ. У вышеобозначенных образцов оружия предохранителей нет.

• В фильме использованы материалы реального 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 МВД 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, 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[15], послуживший прототипом полковника Данилова — главного героя серии произведений Э. Хруцкого, два из которых были экранизированы: «По данным уголовного розыска» и «Приступить к ликвидации». Крылатая фраза «А теперь — Горбатый!» была произнесена возле частного дома в деревне Губайлово (ныне это микрорайон Красногорска).
• 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 зрителю причины дружеских отношений Шарапова и Левченко. В первоначальном варианте большой кусок на фронте был показан зрителю сразу же после немой сцены когда Шарапов узнал Левченко, и как воспоминания Шарапова при их разговоре ночью.
• Также была изменена концовка картины. В первоначальной версии фильма Шарапов в конце узнаёт, что его любимая Варя погибла, что соответствует роману: «Нам сказал шеф телевидения Лапин, что всю неделю люди будут смотреть фильм по телевизору, закончится он, скорее всего, в воскресенье, и с каким же настроением они пойдут в понедельник на работу, если ещё и Варя (кроме Левченко) погибнет? Пришлось оставить Варю в живых». Георгий Вайнер
• В романе Глеб Жеглов — молодой человек 25 лет, член комсомольского актива МУРа (имеется эпизод, в котором Жеглов находится в президиуме комсомольского собрания и выступает с речью). По фильму персонажу Высоцкого 40 лет (как он сам заявляет «Копчёному»), Шарапову же 22 года (именно такую цифру он называет Михаилу Михайловичу), а не 25, как в книге.
• 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 требует от Шарапова сыграть на пианино, Шарапов исполняет Шопена — этюд № 14, f-moll op. 25.
• В ресторане, где Фокс танцует с официанткой, за одним столиком с Жегловым сидит дочь писателя Аркадия Вайнера Наталья Дарьялова, Тараскин танцует с Ларисой Гузеевой, а на заднем плане среди музыкантов на саксофоне играет Сергей Мазаев.
• 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.
• 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