Изначально актерский состав должен был быть совершенно иным: на роль Д’Артаньяна прочили Александра Абдулова, а в роли Констанции видели, соответственно, Евгению Симонову. Атоса должен был сыграть Василий Ливанов, Миледи — Елена Соловей, эта роль должна была стать антиподом ее героини в «Рабе любви». На роль Людовика XIII без проб взяли Олега Табакова, на роль Анны Австрийской — Алису Фрейндлих. В качестве Бэкингема утвердили Игоря Костолевского, а Михаилу Боярскому предложили сыграть Рошфора. Но Юнгвальд‑Хилькевич разошелся с киночиновниками в вопросе актерского состава: на роль Констанции ему навязали Ирину Алферову, которая была безнадежна в музыкальных фильмах — она не умела ни петь, ни танцевать, да и актрисой, по мнению режиссера, была никакой. Из‑за нее сниматься отказался Костолевский, с Алферовой в паре он работать не желал. А тут еще Василию Ливанову предложили гораздо более интересную для него роль Шерлока Холмса, и актер сделал тот судьбоносный выбор, о котором ни разу впоследствии не пожалел. Елена Соловей внезапно забеременела и не смогла сниматься. Абдулов совершенно не умел петь (он в итоге снялся в эпизоде в роли одного из гвардейцев кардинала), так что Юнгвальд‑Хилькевич остался с куцым бюджетом и разваливающимся на глазах составом будущей картины. Поиски большей части актеров пришлось начинать заново.

Легче всего, как ни странно, прошли поиски Д’Артаньяна: однажды Боярский в гриме Рошфора буквально ворвался на съемочную площадку, и все поняли: вот он, тот самый бешеный гасконец! 

Хотя до этого режиссер от безнадеги предлагал ему на выбор Атоса или Арамиса — кого сам артист захочет. Кроме того, за Боярского ратовал Максим Дунаевский, требовавший на главную роль с большим количеством музыкальных номеров непременно поющего актера. Так Боярский получил роль всей своей жизни, а воплотить зловещего Рошфора пригласили умного и ироничного Бориса Клюева. Господина де Тревиля взялся сыграть Лев Дуров.

Боярский, проникшись проблемами режиссера с кастингом, посоветовал подходящего кандидата в Арамисы — им оказался утонченный Игорь Старыгин. На роль Атоса пробовали Юрия Соломина, но тут Юнгвальд‑Хилькевич увидел в театре Вениамина Смехова в роли Воланда: Атос был найден! На роль Портоса утвердили Валентина Смирнитского, с условием — худощавому артисту придется набирать вес. На пробы он пришел с ногой в лубке и в первых сериях снимался только в статичных позах. Сначала силуэт Портоса формировали с помощью ватных толщинок, но к концу съемок артист успел наесть столько килограммов, сколько требовалось. 

А вот тощий и высокий Александр Трофимов оказался идеальным Ришелье. Правда, у него была очень тягучая манера речи, так что озвучивал этого героя Михаил Козаков, которому легко удалось добавить в голос всесильного кардинала зловещие нотки.

В качестве Миледи телевизионное руководство «спустило» сверху кандидатуру Светланы Пенкиной, игравшей вместе с Алферовой в «Хождении по мукам». Но Юнгвальд‑Хилькевичу одной навязанной артистки было более чем достаточно, и он уперся: либо играть будет Маргарита Терехова, славившаяся своим неукротимым темпераментом, либо он умывает руки и отказывается снимать.

Бюджет, выделенный Госкино на съемки телефильма, составлял крошечную сумму — всего 140 тысяч рублей на серию. Не хватало осветительных приборов и камер, а вместо операторской тележки Юнгвальд‑Хилькевич приспособил инвалидное кресло, на котором и катался в течение всех съемок. 

Реквизит тоже создавался по принципу «я его слепила из того, что было», причем зачастую руками самого режиссера. Так, он состряпал «алмазные подвески» из купленной в Одессе вульгарной бижутерии, а эфесы мушкетерских шпаг спаял из консервных банок и металлических обломков, так что каждая шпага в фильме в буквальном смысле уникальна. Все блестяшки на нарядах героев вырезались из обычной фольги.

Съемки шли на фоне настоящего ажиотажа: за популярными артистами целыми автобусами гонялись поклонницы, накрывали столы и подносили алкоголь, дым стоял коромыслом. «Следом за нами во время съемок ездила «Волга». Я никак не мог понять: почему? Решил, что просто какая‑нибудь поклонница преследует кого‑то из актеров, — вспоминал режиссер. — И что вы думаете? Оказывается, в той «Волге» была вмонтирована канистра размером с багажник, полная вина. С краником, к которому мои дорогие мушкетеры все время прикладывались...» Как следствие — букет несчастных случаев разной степени тяжести: Атосу подбили глаз, Портос пять раз падал с лошади, Рошфор‑Клюев сломал Боярскому зуб ударом шпаги… Даже Евгений Данчевский, игравший Фельтона, умудрился пострадать во время страстной сцены с Тереховой: «В конце Миледи целует Фельтона, после чего он убегает. Был такой накал страсти, что во время поцелуя Рита просто разбила мне губу, которая потом заживала очень долго».

Впрочем, все проблемы меркли на фоне действительно веселой жизни, которую устраивали себе артисты. Порой даже излишне веселой: так, однажды, прогуляв все командировочные, компания мушкетеров и постановщик фехтовальных трюков Владимир Балон стащили в местном магазине ящик копченой рыбы и неделю ­питались только ею. Правда, потом, разжившись деньгами, извинились перед продавщицей и расплатились за неправедно съеденное.

Но, конечно, в музыкальном фильме все крутилось вокруг песен. Своими голосами в «Трех мушкетерах» поют только Боярский, Фрейндлих, Ришелье‑Трофимов и Алексей Кузнецов, сыгравший Бэкингема с непередаваемым акцентом. Очень хотел петь сам Вениамин Смехов, но страшно фальшивил, и знаменитую «Песню Атоса» вытянуть не мог. Спел ее в итоге джазмен с мировым именем Вячеслав Назаров, а Смехов долгие годы «мстил» Максиму Дунаевскому: «Когда фильм вышел, я регулярно набирал номер телефона Дунаевского и пел ему страшным голосом: «Есть в графском парке черный пру‑уд!»

Лев Дуров с трудом справился с вокалом в дуэте с Боярским, но соло уже не тянул, и «Балладу де Тревиля» спел за него Александр Левшин. Актеру об этом в хлопотах не сказали, в итоге на премьере в Доме кино Дуров подумал, что звучит его собственный голос. Юрий Ряшенцев вспоминал, как Дуров «победоносно осмотрел зрительный зал», а потом всем рассказывал, как же он здорово спел.

Картина была отснята в конце 1978 года — под Новый год планировалась ее премьера на Центральном телевидении. Но в итоге готовый фильм целый год пролежал на полке: драматург Марк Розовский подал в суд на Юнгвальд‑Хилькевича из‑за самовольной переделки сценария режиссером, а Юрий Ряшенцев требовал прописать в титрах, что текст песенки Миледи, на ходу сочиненной Вениамином Смеховым по просьбе Тереховой, написал не он. Суды закончились ничем, фильм вышел на экраны годом позже, как это изначально и планировалось, в последние декабрьские дни. К слову, эта традиция неизменна уже много лет: в конце декабря «Д’Артаньян и три мушкетера» непременно попадают в сетки вещания различных телеканалов.