Влезая в шкуру своего персонажа, Кадочников убеждал даже консультанта картины Михаила Маклярского. Во время съёмок они много общались, и цепкая актёрская память Павла Петровича фиксировала малейшие нюансы — и профессиональные и бытовые — начиная с того, каким жестом нужно вытаскивать сигарету из портсигара и заканчивая тем, как правильно отставить стул от стола в ресторане. Перед Кадочниковым стояла очень непростая задача — сыграть советского человека, буквально сросшегося с формой, которую ему приходится носить в тылу врага. Советский кинематограф предпочитал чёткую дихотомию враг — это враг, свой — это свой. Приём, когда враг выдает себя за своего использовался достаточно часто, а вот обратный «маскарад» освоен ещё не был. И чтобы его «оправдать», сценаристы рассыпали по сюжету сцены, в которых Алексей Федотов словно выглядывает из-под маски Генриха Эккерта, подмигивая зрителю. Фразы «двойного назначения» моментально ушли в народ. «Мы с вами рассчитаемся», брошенная предателю Медведеву, «Надо очень любить свою родину» в ответ Поммеру, «Как разведчик разведчику» и «Вы болван, Штюбинг!» и, конечно же, самая знаменитая — тост «За нашу победу!» на именинах генерала Кюна, неизменно вызывавший в зале бурю восторга.
За роль майора Федотова артист будет удостоен Сталинской премии. В семействе Кадочниковых сохранилось предание о том, как вождь народов, посмотрев картину, сказал, что Кадочников показал на экране настоящего советского разведчика. На банкете по случаю награждения, Иосиф Виссарионович поинтересовался у актёра, что он может для него сделать. Кадочников перевёл всё в шутку, попросив, чтобы высокая оценка его работы была закреплена на бумаге. Через некоторое время Павлу Петровичу было передано свидетельство за подписями Сталина и Ворошилова, гласившее что артисту присваивается звание почётного майора всех родов войск Советского Союза.
Сергею Мартинсону роль Вилли Поммера предложили без всяких проб, и тот с радостью согласился. Правда о столь любимой актёром эксцентриаде, «вирус» которой Мартинсон подхватил от своего учителя Всеволода Мейерхольда, пришлось забыть. Ну, пусть не забыть, но очень аккуратно дозировать. Наследник семейного дела Поммеров — большой любитель сидеть на двух стульях. С одной стороны, он — адъютант Руммельсбурга, особы приближенной к самому фюреру, и ему льстит это достаточно заметное положение. Но денег он жаждет куда сильнее, чем славы и почёта, а значит, коммерсант (или скорее, торгаш, ведь щетинная империя отнюдь не процветает) в нём одерживает верх над служакой.
Сложности возникли и с поиском актрисы на роль связной Фёдорова Лизы. Барнету непременно хотелось, чтобы она была красавицей — вот мол, какие женщины рисковали собой ради нашей победы! Борис Васильевич уже почти смирился с тем, что нужный типаж так и не сыщется. Но за пару часов до отхода киевского поезда, ему пришлось срочно ехать на студию подписывать какие-то документы по смете на картину, и в коридоре он увидел её — Елену Измайлову — пленительную миссис Уэлдон из только что вышедшего на экраны «Пятнадцатилетнего капитана». Кстати, один из упреков по адресу картины связан именно с ней. В фильме есть сцена, где Лиза и Алексей сидят на лавочке у реки и довольно органично изображают влюбленную пару, а при расставании прощаются за руку. Попадись они на глаза мало-мальски опытному немецкому разведчику, он наверняка пришел бы к выводу что тут что-то нечисто.
Неутомимый Амвросий Бучма руководил Киевской киностудией, что называется без отрыва от главного своего дела — он был главным режиссёром и ведущим артистом Киевского драматического театра им. И. Франка. Из своего театра он привёл Дмитрия Милютенко, сыгравшего предателя Бережного, и Виктора Добровольского, которому досталась роль советского генерала, из театра имени Леси Украинки — Михаила Романова, идеально вписавшегося в образ Руммельсбурга. Но знаменитому актёру и самому очень хотелось поработать с Барнетом. По словам всех, знавших Бориса Васильевича, он замечательно — подробно и вдумчиво репетировал с артистами, добиваясь максимальной точности в любой мелочи. В кино Барнет работал как в театре — с застольным периодом: «Сначала разберёмся в логике поведения наших героев, а затем уже поищем мизансцену» — любил повторять режиссёр. В итоге Бучма сыграл небольшую, но очень драматичную роль подпольщика Григория Лещука. Не удержался и сам режиссёр, взяв на себя самую уязвимую роль в сценарии — генерала Кюна, за сверхсекретными документами которого охотился главный герой. Даже в переделанном сценарии этот персонаж получался не слишком убедительным — если его так легко переиграть, то как такому вояке могли доверить архиважные планы рейха? И Барнету, и Маклярскому, и Кадочникову хотелось, чтобы Федотов и Кюн были достойными противниками. В противном случае победа нашего разведчика едва ли не обесценивалась. Не найдя нужного по фактуре и глубине актёра, Барнет сам сыграл эту роль.