У этой картины непростая история: изначально идея создать так называемый «истерн» — приключенческий фильм а‑ля американские вестерны, со стрельбой и погонями, но в среднеазиатских декорациях — пришла руководителю Экспериментального творческого объединения «Мосфильм» Григорию Чухраю. Первый вариант сценария назывался «Басмачи» и руководству ЭТК не понравился. Новые сценаристы Валентин Ежов и Рустам Ибрагимбеков взяли за основу реальную историю о басмаче, бросившем в пустыне свой гарем. Идея «зашла», и сценарий встал на новые рельсы, получив рабочее название «Спасите гарем».

Снимать Чухрай предлагал разным режиссерам, но никого эта странная комедия не заинтересовала. В поисках работы был белорус Владимир Мотыль, но и он отказался, сочтя историю бездуховной. Мотылю рисковать было нельзя: его «Женя, Женечка и «катюша» — первый комедийный фильм о войне — понравился зрителю, но не понравился чиновникам из Госкино, и за режиссером закрепилась слава «неблагонадежного». Но у ЭТК была неслыханная привилегия: объединение могло утверждать режиссеров без согласования с Госкино. Это было серьезным аргументом, и Мотыль, который простаивал без работы, согласился снимать, получив полную свободу.

Сохраняя структуру классического вестерна, Владимир Мотыль добавил в фильм то, чего так не хватало ему в сценарии: духовную составляющую. 

«Я не мог взяться за анекдотичную историю про гарем и солдата, выполняющего интернациональный долг. Не было ни одной соломинки, за которую я мог бы зацепиться. И тогда я придумал любовь героя — красноармейца Сухова — к Катерине Матвеевне», — вспоминал режиссер. Письма Сухова к супруге сочинил Марк Захаров, тогда еще не снимавший собственное кино.

На роль красноармейца Сухова режиссер планировал Георгия Юматова, но помешало несчастливое стечение обстоятельств: накануне съемок актер побывал на свадьбе, где вспыхнула драка, полез разнимать дерущихся и сам получил травмы. Лицо было разбито, ждать, пока все заживет, невозможно, да и на репутации Юматова эпизод сказался самым печальным образом: мол, драчун и выпивоха. Для актера это была трагедия, а Мотыль спешно утвердил Анатолия Кузнецова, также пробовавшегося на эту роль.  

Когда говорят о том, что артист был малоизвестен, это лукавство: у Кузнецова были и имя, и опыт — более 20 киноролей за плечами. Но Сухов в итоге остался самым заметным персонажем в его кинобиографии.

На роль Саида, помогающего Сухову, пробовался суровый Игорь Ледогоров, однако внезапно для всех Мотыль решил снимать Спартака Мишулина, выходившего на сцену Театра сатиры… в образе Карлсона. Больше всего актер намучился, когда на съемках его на целый день закапывали в песок: он находился в деревянном ящике, чтоб не сгореть в раскаленном на солнце песке, но откапывать его даже на время было нереально. Так что страдания Саида в кадре более чем натуральны. Черного Абдуллу, главного антигероя, надо было сделать фактурным и явственно восточным. Выбор пал на Кахи Кавсадзе — ведущего актера Тбилисского драматического театра с неплохим опытом съемок. В жизни потомственный интеллигент Кавсадзе от своего персонажа отличался, как небо и земля, но убедительно сыграл негодяя. Правда, скакать верхом артист не умел, оттого все съемки на лошадях давались ему очень непросто.

Таможенник Верещагин, по изначальному сценарию — проходной персонаж, горький пьяница, — благодаря работе Павла Луспекаева превратился в героя ничуть не менее серьезного, чем Сухов. Беда была в одном: луганчанин Луспекаев, с 16 лет воевавший в партизанском отряде, успел нахватать тяжелых ранений, обморожений и прочих военных «радостей», подорвавших его здоровье. В 1964‑м ему частично ампутировали стопы обеих ног. Мотыль рвался снимать актера, но не представлял, как он в таком состоянии сможет сыграть, к примеру, драку на баркасе. Даже предлагал переделать сценарий так, чтобы Верещагин ходил на костылях. Однако Луспекаев отказался наотрез, показал чертежи упоров, которые вставят ему в сапоги, чтобы он смог передвигаться сам: «Я сыграю то, что ты придумал. А инвалида успею в какой‑нибудь другой картине». И он играл — наматывая километры по зыбучим пескам Туркмении, превозмогая чудовищную боль в искалеченных ногах… Порой дубли шли бесконечной чередой, и единственный раз артиста заменил каскадер — в одном из кадров на баркасе, когда Верещагин пинком сбрасывает бандита за борт. Он мог бы и это сделать сам, но пустые носки сапог сминались при ударе, а это было заметно на пленке. Наблюдая за тем, как работает Луспекаев, режиссер все сильнее расширял его роль.

Главную роль второго плана — красноармейца Петруху — сыграл непрофессиональный актер. Николай Годовиков подростком снялся в роли одного из беспризорников в картине «Республика ШКИД» (кстати, вместе с Луспекаевым) и продолжал изредка появляться в эпизодах, работая на заводе. С Мотылем он уже работал в «Жене, Женечке и «катюше». Гарем жен Абдуллы также практически полностью набирался из непрофессиональных актрис. И любимая жена Сухова, Катерина Матвеевна, появляющаяся исключительно в его снах, сыграна телеведущей и редактором Галиной Лучай.

Специально для фильма уже сработавшийся тандем Булата Окуджавы и композитора Исаака Шварца сочинил песню «Ваше благородие, госпожа разлука…», причем Шварц писал ее прицельно, в расчете на голос Павла Луспекаева, с которым уже успел поработать, создавая музыку к театральным спектаклям с участием актера.

Съемки шли нелегко: денег выделили не так чтобы много, а поскольку в это время Юрий Озеров снимал свою военную киноэпопею «Освобождение», то и технические ресурсы все были брошены туда — даже съемочный кран для «Белого солнца пустыни» пришлось мастерить из подручных материалов. «Чем чаще я вспоминаю трудности и препятствия, которые пришлось пройти на тех съемках..., чем больше я думаю о причинах непредсказуемого успеха «Белого солнца...» — одной из девяти сделанных мною картин, тем больше мне представляется, что я как бы исполнитель чьей‑то воли. Видимо, мне помогал Господь», — впоследствии признавался Владимир Мотыль. А проблем с картиной было немало. Первый вариант отсняли к осени 1968 года, но концовка, в которой жены Абдуллы рыдают над телом убитого мужа, категорически не устроила руководство студии, ожидавшее приключенческую комедию. Фильм законсервировали на три месяца, думали вообще закрыть, но вмешался Минфин, не желающий списывать просто так 300 тысяч рублей. В итоге приняли компромиссное решение: выделить еще немного средств, а Мотылю — переснять концовку. Съемки были завершены к сентябрю 1969 года, но и после этого режиссеру предложили внести около 30 правок. Итоговую версию показали директору «Мосфильма» Владимиру Сурину — и… тому картина категорически не понравилась, подписывать акт приемки он отказался.

«Белое солнце пустыни» лежало на полке, судьба фильма была неясна. Все шло к тому, что его запретят, а карьера Владимира Мотыля будет погублена окончательно. И тут в ситуацию вмешался Леонид Брежнев, любивший на даче смотреть новинки. Генсек поинтересовался, отчего ему до сих пор не показали картину, а посмотрев, пришел в восторг и велел пустить фильм в прокат.

Конечно, «Белое солнце пустыни», получившее 2‑ю прокатную категорию, не обогнало киноэпопею Озерова, вышедшую на экраны одновременно. Но фильм посмотрело в кинотеатрах 50 млн человек.  

«Белое солнце пустыни» очень быстро приобрело статус культового кино, разойдясь по крылатым фразам, а его герои переселились в многочисленные анекдоты.

Успел порадоваться этому Павел Луспекаев — на премьере он побывал весной 1970‑го, за две недели до смерти. Актер Михаил Козаков, которого тот позвал с собой, вспоминал: «Была ранняя весна, он медленно шел по улице, опираясь на палку, в пальто с бобровым воротником, в широком белом кепи‑аэродроме — дань южным вкусам, и волновался, как мальчишка... После фильма он рассказывал о съемках, хвалил Мотыля, подмигивал мне, когда прохожие улыбались, оборачиваясь на него. «Видал, видал, узнают!» А потом сказал: 

«Я, знаешь, доволен, что остался верен себе. Меня убеждали в картине драться по‑американски, по законам жанра. Мол, вестерн и так далее. А я отказался. Играю Верещагина, колотушки у меня будь здоров, вот я ими и буду молотить. И ничего, намолотил...»