В образе барона Мюнхгаузена режиссёр Марк Захаров видел только Олега Янковского, хотя против него были и худсовет, и сценарист Григорий Горин. Худсовет считал, что Янковский годится Мюнхгаузену в сыновья, а Горин не верил в способности актёра сыграть ироничного, тонкого и хитрого барона — он знал Янковского как исполнителя ролей волевых и жёстких людей. Потом Горин признавался, что взять другого актёра было бы непростительной ошибкой.

На роль Марты режиссёр хотел утвердить Татьяну Догилеву, но худсовет кандидатуру отклонил. На роль пробовались Галина Золотарёва, Ирина Мазуркевич и другие актрисы, среди которых была Елена Коренева. Создатели картины разложили фотографии всех претенденток и выбрали Кореневу, несмотря на то, что на фото она вовсе не была похожа на романтическую героиню — у нее была стрижка «под мальчика».
В пользу Кореневой сыграло и то, что она не была актрисой захаровского «Ленкома» — в фильме и так была занята солидная часть труппы.

Основных женских ролей в фильме было всего две — Инна Чурикова приезжала только на съёмки, а Елена Коренева жила со съёмочной группой и постоянно была окружена мужским вниманием.
Съёмки проходили в немецком городе Вернигероде. В массовке и эпизодах принимали участие немецкие актёры, был и немецкий каскадёр. Как-то Александр Абдулов предложил ему помериться силами — побороться даже не на руках, а на пальцах. Сцепились указательными пальцами, начали друг на друга напирать, и тут раздался хруст… Немецкий каскадёр случайно вывихнул Абдулову палец! Пришлось накладывать гипс, и Захаров был жутко недоволен таким ребячеством. В ходе дальнейших съёмок Абдулов умудрился сломать ещё и палец на ноге — отказался от дублёра в сцене с прыжком с забора…

Одной из самых сложных оказалась сцена с выходом из леса оленя с вишнёвым деревом на голове. Планировали привязать ветки к рогам оленя из местного зоопарка, но оказалось, что олени как раз только сбросили рога и привязывать просто не к чему. Попробовали снимать чучело, но его ненастоящесть выдавали стеклянные глаза. Тогда решили снимать не оленя, а марала, но он не понимал, что от него требуется и вместо прохода перед камерой начинал перед ней валяться. В конце концов марала удалось приманить лакомством, и он прошёл по нужному маршруту. Но это была только половина дела… С «вишнёвым деревом» на голове ходил балетмейстер из Театра оперетты, который перед этим изучил проход марала и старался попасть в такт с животным. После чего дерево вырезали и совместили со съёмками марала.

«Тот самый Мюнхгаузен» почти не пострадал от цензуры — из него перед премьерным показом вырезали всего две сцены. В сцене с охотником, которому все говорили, что учатся по его книгам, усмотрели намёк на «Малую землю» Леонида Брежнева. Книга недавно вышла в печать и была внесена в школьную программу. Вторая правка касалась «Песенки пастушки» в исполнении Любови Полищук. Актриса тогда была в опале на телевидении и фрагмент с её участием вырезали. Пела за Полищук певица Жанна Рожденственская. Позже «Песенку пастушки» вернули на место.
Еще одна правка случилась гораздо позже. В 1990-е годы была вырезана часть диалога Мюнхгаузена и пастора из первой серии. Диалог звучал так:В новой версии диалог заканчивается на фразе Мюнхгаузена: «Вы, служитель церкви, предлагаете мне жить во лжи?» — после чего пастор уезжает.
Знаменитая фраза барона Мюнхгаузена: «Умное лицо ещё не признак ума…» — в сценарии звучала как «Серьёзное лицо ещё не признак ума…» Олег Янковский случайно оговорился, но новый вариант очень понравился Марку Захарову. Он оставил его в фильме, несмотря на протесты сценариста Григория Горина.