Енгибаров уже несколько лет снимался в кино и имел множество друзей в киношной среде. Одним из его приятелей был режиссер с Одесской киностудии Георгий Юнгвальд-Хилькевич. В один из дней начала 1966 года он пришел на очередное представление Московского цирка, который гастролировал в Одессе, чтобы встретиться с другом. Но, увидев там Наташу, настолько был потрясен ее внешностью, что на следующий день явился к ней в гостиницу и пригласил сниматься в своем фильме. Причем его симпатия оказалась такой сильной, что через пару-тройку дней он снял утвержденную на главную роль актрису Марэ Хиластэ и заменил ее Варлей. Однако худсовет это дело «завернул», в итоге главную роль сыграла очень популярная в те годы актриса Раиса Недашковская, а Варлей досталась эпизодическая роль медсестры. Но вскоре судьба с лихвой вознаградила Наталью: именно на «Формуле радуги» ее приметила ассистентка Гайдая. Когда Варлей вернулась из Одессы в Москву, дома ее уже ждала телеграмма с «Мосфильма» с просьбой явиться на пробы, которые состоялись 13 апреля 1966 года в павильоне № 9, ассистировал на них юной актрисе Герман Качин. Через несколько дней худсовет объединения, просмотрев эту пробу, утвердил Наталью Варлей на роль Нины.
К 21 апреля в павильоне № 4 была выстроена декорация «Дом Джабраила». В тот день прошло ее освоение, а 22 апреля съемки начались: снимали эпизоды с участием Этуша (Саахов), Мкртчяна (Джабраил), Никулина (Балбес), Вицина (Трус) и Моргунова (Бывалый): Джабраил отчитывает троицу, которая не смогла с первой попытки похитить Нину: «Вы не оправдали оказанного вам высокого доверия». Бывалый оправдывается: «Невозможно работать…» Трус поясняет: «Вы даете нереальные планы». А Балбес заканчивает: «Это, как его — волюнтаризм». На что Джабраил возмущается: «В моем доме прошу не выражаться…»; Шурик узнает от Нининой тети о похищении Нины.
23–24 апреля — выходные дни.
25 апреля (павильон № 4) — Бывалый считает деньги; Трус накрывает червонец туфлей.
26 апреля (павильон № 9) — Балбес и Трус занимаются калькуляцией. Балбес диктует: «Пиши с новой строчки: обед. Подчеркни: от супа отказалась. В скобках: суп харчо. Дальше. Три порции шашлыка: выбросила в пропасть. Теперь вино. Разбила две бутылки». Трус уточняет: «Три», — и показывает распитую ими же бутылку. «Пиши три», — соглашается Балбес, после чего, не вставая с места, чешет свою ступню (в кадре это рука не Никулина, а человека, который лежит под одеялом. Сам трюк придумал оператор Константин Бровин).
27 апреля (павильон № 9) — Шурик и Эдик под видом врачей приезжают в Орлиное гнездо, где троица держит в заточении Нину, с сообщением: «В районе эпидемия. Поголовные прививки. Ящур». Троица послушно ложится на живот, чтобы им сделали прививки. Первым под иглу попадает Трус, затем Балбес. Третьим — Бывалый, зад которого требовал особенной иглы. Рассказывает Е. Моргунов:
«Для Гайдая было главное, чтобы мы придумывали трюки. За каждый такой трюк Гайдай предлагал нам по две бутылки шампанского. Никулин заработал в «Кавказской пленнице» 24 бутылки. Я — 18. А Вицин, к сожалению, заработал лишь одну бутылку. Потому что он страшно не любил шампанское. Он любил сдавать посуду…
Сценку с моим уколом придумал Никулин. Он сказал: «Какой смысл делать третий маленький укол, если два уже сделали. Моргунову надо сделать большой». И принес из цирка красивый шприц с французским названием «жане» — вот, мол, его и будем колоть. Я сказал: «нет, колоть не будем, у меня семья». Никулин говорит: «Не бойся, больно не будет». Крупным планом снимали лицо, а сзади между ног установили табуретку, сняли с нее сиденье и положили обычную подушку. Саша Демьяненко брал шприц и втыкал. Семь раз мы снимали этот кусочек, я его боялся, как огня — потому что там же все рядом. Под табуреткой лежал Никулин, на руке у него была перчатка. Как только игла входила в подушку до упора, Никулин по команде Гайдая хватал ее рукой и держал. Это он поворачивал шприц то влево, то вправо, словно он покачивается. А все думали, что Моргунову пронзили его толстый зад…»
28 апреля (павильон № 9) — Шурик и Эдик перед тем как всадить Бывалому шприц; троица хочет встать, но Эдик их останавливает: «Лежите! Это новейшая вакцина замедленной усвояемости. Моменто море»; Нина бьет Шурика подносом по голове; Нина, схватившись за веревку, встает на подоконник.
29 апреля (павильон № 9) — Саахов (Этуш) и Джабраил (Мкртчян) слушают, как Нина бьет в комнате посуду. «До сервиза дошла, — с грустью замечает Саахов. — Двенадцать персон, девяносто шесть предметов». Джабраил пытается вразумить племянницу, произносит пламенную речь о женихе и… шум в комнате пленницы стихает. Саахов берет поднос с вином и фруктами, чтобы войти к Нине. «Шляпу сними», — просит он дядю пленницы.
30 апреля — 2 мая — выходные дни.
3 мая — все в том же павильоне № 9 снимали эпизод: Нина прикрывает свои изящные ножки скатеркой.
4 мая (павильон № 9) — Нина открывает окно, но видит решетку; Нина открывает другое окно, но внизу — пропасть.