Алексей Баталов, который в «Трёх Толстяках» был сценаристом, режиссёром и исполнителем одной из главных ролей, про историю Лисициан ничего не знал. Он хотел поставить спектакль во МХАТе, но ему предложили экранизацию. Причем её хотели приурочить к 50-летию Октябрьской революции — очевидно, что за десять лет взгляд на произведение поменялся… Сценарий к экранизации Алексей Баталов писал со своим братом Михаилом Ольшевским, а снимал фильм совместно с опытным режиссёром Иосифом Шапиро, который считался классиком соцреализма.

В повести Олеши у Толстяков не было обозначено социальное положение, они были просто богатыми злодеями. Сценарий требовал революционной конкретики, поэтому Толстяки получили царский титул «Ваше величество»… На их роли были утверждены Сергей Кулагин, Евгений Моргунов и Борис Христофоров. И без того фактурным актёрам дали задание прибавить в объёмах. Они изо всех сил придерживались вкусной антидиеты, но всё равно пришлось шить костюмы с утолщающими накладками.

Наследника Тутти сыграл 12-летний Пётр Артемьев, который очень расстроился, что удачно прошёл пробы. У них с друзьями были планы на лето, но родители хотели, чтобы сын стал актёром и отвели на киностудию. После премьеры он оказался в центре внимания одноклассников и учителей, и это ему тоже не нравилось. «Три Толстяка» так и остались для него единственным фильмом. Артемьев окончил филологический факультет Ленинградского государственного университета, работал преподавателем и иногда играл в любительском театре. Сейчас ему 66 лет, у него любимая работа, долгий брак, дети, внуки и никаких сожалений об упущенной актёрской карьере.

Циркачку Суок искали по всему Союзу и нашли в одной из вильнюсских школ. 13-летняя Лина Бракните уже имела опыт съёмок в кино, была спортивной, гибкой и схватывала акробатику на лету. В Ленинград Лина переехала вместе со своей воспитательницей и целый год прожила в новом для неё городе, ходила в местную школу, ездила на тренировки и съёмки. Не справилась актриса только с озвучкой — в фильме Суок говорит голосом Алисы Фрейндлих. Кстати, имя героиня получила от сестёр Серафимы и Ольги Суок — каждая из них была в свое время женой Юрия Олеши.

В сценах, где Бракните изображала куклу, актрисе приклеивали веки, чтобы сделать немигающий взгляд, и надевали парик. В фильме было три куклы: одна в исполнении актрисы, вторая была муляжом для трюковых сцен, и третья — настоящая кукла, сделанная специально для съёмок скульптором Валентиной Малахиевой. «Кукла наследника Тутти» много лет пролежала в хранилище киностудии, пока в 90-х о ней не вспомнили коллекционеры. Куклу выкупили и продали с аукциона, а позже она попала в частный «Музей уникальных кукол».

Режиссёр Алексей Баталов играл в фильме канатоходца Тибула. Специально для роли он больше года учился ходить по канату, чтобы выполнить трюк без дублёра. Тренировала его жена — циркачка Гитана Леонтенко, которая занималась и с Линой Бракните. Потом Баталов рассказывал, как смотрел отснятый материал: «К монтажу подготовили кадры с нами, это был позор! Кирпичные лица, синие ноги… А ведь это центральная сцена, весь сюжет на ней завязан… Я был очень молод и пошёл на риск. В здравом уме такого, конечно, сделать было нельзя».

Съёмки фильма проходили в Петергофе на территории Дворцовых конюшен. Здание слегка «загримировали», приклеив к фасаду детали декораций и прикрепив временный балкон. В то время в Дворцовых конюшнях был санаторий «Петродворец», потом корпус стоял в запустении, а сейчас находится на реконструкции.