Ещё одной кандидатурой на роль Чапаева был молодой актёр Ленинградского академического театра драмы Борис Бабочкин. Васильевы видели его в нескольких ролях, и он им понравился своим темпераментом, ярко выраженной эмоциональностью. Тем более что у Бабочкина был опыт игры в постановках о Гражданской войне: он играл Братишку в «Шторме» и Сысоева в «Первой Конной». И когда сценарий «Чапаева» был написан, Васильевы пригласили на первую читку именно Бабочкина, рассчитывая именно на ней повнимательнее присмотреться к актёру. Однако, дабы не обидеть актёра возможным отказом, братья сообщили ему, что намечают его на роль ординарца Чапаева Петьки. Но отказа не последовало. Когда после читки, которая проходила на квартире актёра И. Певцова (братья хотели предложить ему роль полковника Бороздина), Бабочкин и Васильевы вышли на улицу, актёр внезапно вошёл в образ Чапаева и стал показывать режиссёрам, как он видит легендарного комдива: «А знаете, как он носил фуражку? Вот так, вероятно… А знаете, как он здоровался с бойцами? Вот как…». И так здорово Бабочкин преображался в Чапаева, что Васильевы для себя решили: комдива играть именно ему. Как вспоминал много позже сам актёр: «…Играть Петьку я согласился, и интересы картины стали моими интересами. О том, что мне придётся играть Чапаева, я тогда и не думал. Я только уговаривал Васильевых не делать ошибки в выборе актёра на эту роль. Я думал, что хорошо бы мог её сыграть Хмелёв. Доказывая им негодность некоторых кандидатур, я, без всякой задней мысли, в качестве аргументов предъявлял Васильевым такие черты этого актёра, что в результате они просили меня попробовать грим. Я надел шапку и наклеил усы…»
После того как Бабочкин стал Чапаевым, на роль Петьки был утверждён актёр Яков Гудкин. На роль Анки-пулемётчицы Васильевы пригласили свою хорошую знакомую — актрису Варвару Мясникову, которая играла в двух предыдущих картинах братьев: «Спящей красавице» и «Личном деле». Ещё один актёр из «Васильевской обоймы» — Николай Симонов (он снимался в «Личном деле») — получил роль комвзвода Жихарева. На роль комиссара Фурманова был приглашён артист ленинградского ТЮЗа Борис Блинов, который до этого в кино не снимался. Среди других дебютантов выделю хорошо известного ныне Георгия Жжёнова, который сыграл эпизодическую роль ткача Терёши.
Из-за долгих поисков актёров и других проблем организационного плана подготовительный период затянулся. Поэтому начать съёмки удалось только на исходе лета — в августе 1933 года. Для съёмок натуры группа отправилась в Калинин, в стрелковую дивизию имени Ворошилова, солдаты которой должны были сниматься в массовых сценах. Жить киношников определили в военный лагерь, что их поначалу чрезвычайно обрадовало — жизнь на природе никому не была в тягость. Однако на этом череда приятных впечатлений закончилась. Буквально на третьи сутки съёмок небо заволокло тучами и над местом съёмок зарядили сплошные дожди. В итоге из 28 намеченных объектов за месяц съёмок удалось отснять только несколько крохотных эпизодов и одну большую сцену — отъезд Фурманова. Устав ждать «у моря погоды», Васильевы решили отложить съёмки натуры на следующее лето и свернули экспедицию.
Вернувшись в Ленинград, Васильевы на какое-то время законсервировали работу над «Чапаевым» и занялись другим проектом — кинооперой «Пиковая дама», став родоначальниками этого жанра в отечественном кино. А ближе к зиме они вновь вернулись к «Чапаеву». В декабре 33-го и январе 34-го были отсняты павильонные эпизоды на «Ленфильме». И вот здесь случилось то, чего никто, в общем-то, и не ждал. Оказалось, что вынужденный летний простой пошёл только на пользу картине. В процессе работы в павильоне Васильевы взялись за кардинальную переделку сценария, перелопатив его чуть ли не наполовину. В итоге из режиссёрского сценария в период съёмок была изъята 21 сцена, а 11 сцен были созданы вновь. Но Васильевым этого показалось мало, и они перетрясли и актёрский состав. Так, они заменили сразу двух актёров, игравших ключевые роли: на роль Петьки вместо опытного актёра Якова Гудкина (на его счету было более десяти картин, в том числе «Катька — бумажный ранет», «Обломок империи», «Встречный» и др.) был приглашён 26-летний Леонид Кмит (это была его первая большая роль в кино), а роль предателя Верзилы от А. Перегожина перешла к Константину Назаренко.