Когда Быков писал сценарий, он старался не слишком отходить от действительных событий, хотя кое-что все-таки домыслил и изменил. Например, он придумал новый персонаж — Кузнечика. На самом деле низкие виражи над аэродромом перед девушками выделывал не кто иной, как сам Попков, за что командир приказал запретить ему боевые вылеты на месяц. Но таких отклонений от реальных событий в сценарии было немного, и львиная доля того, что мы видим в фильме, — правда. Это и любовь узбекского Ромео (настоящая фамилия летчика была Марнсаев) к русской Джульетте, и их последующая гибель (девушка погибла во время бомбежки столовой, а Ромео сложил голову в одном из боев), и привычка механика крестить перед вылетом самолеты, и попадание Маэстро в плен к своим (для доказательства своей принадлежности к Красной Армии ему пришлось врезать одному из конвоиров по морде) и т.д. и т.п. 
Между тем, когда сценарий был написан и отправлен «наверх», оттуда вскоре пришел неожиданный ответ: дескать, материал негероический. Высокие цензоры возмущались тем, что советские летчики изображены во многих сценах как поющие клоуны. Короче, ставить такой фильм Быкову поначалу запретили. Но он не отчаялся. Чтобы доказать обратное, Быков взялся… «обкатывать» сценарий на сцене. 
Чтение им отдельных кусков сценария в самых разных городах Советского Союза вызывало у слушателей такой восторг, что никаких сомнений в правильности созданного произведения у цензоров уже не возникало. А тут еще за сценарий стали заступаться люди, которые сами не понаслышке знали о войне. В частности, 14 ноября 1972 гола на киностудию Довженко прислал письмо начальник штаба войсковой части 55127 полковник Лезжов. Он писал, что прочитанный им сценарий — это честный рассказ о войне и о людях, которые добыли в ней победу. 
20 февраля 1973 года фильм был запущен в подготовительный период. И здесь Быкову тоже пришлось столкнуться с рядом трудностей. К примеру, много нервов ему стоило утверждение на роль автотехника Макарыча ленинградского актера Алексея Смирнова. Тот был известен широкому зрителю прежде всего как актер комедийного плана, а у Быкова ему предстояло стать фронтовиком. Узнав об этом, чиновники от кино резко воспротивились: «Не бывать этому! У него же тупое лицо!» Но когда Быков заявил, что откажется снимать фильм, если в нем не будет Смирнова, когда рассказал о том, что «актер с тупым лицом» — сам бывший фронтовик, вернувшийся с войны полным кавалером орденов Славы, сопротивление чиновников было сломлено. Кстати, отчество киношному технику Быков дал то же, что на самом деле носил Смирнов — Макарыч. 
Большую помощь в работе над фильмом оказал маршал авиации, легендарный летчик Александр Покрышкин. Когда Быков напросился к нему на прием, чтобы добиться от него выделения для съемок настоящих самолетов времен войны, маршал поначалу отнесся к этой просьбе настороженно. Слишком много в те годы выходило проходных фильмов о войне, чтобы маршал с ходу поверил в затею Быкова снять «нетленку». Он опросил оставить ему на несколько дней сценарий, чтобы поближе познакомиться с материалом. Но нескольких дней не понадобилось. Буквально за одну ночь Покрышкин проглотил сценарий и распорядился выдать киношникам не один, не два, а целых пять самолетов: четыре истребителя «Як-18» и чехословацкий «2-326», внешне похожий на «Мессершмитт-109». Машины доставили на киевский аэродром «Чайка», где их перекрасили и придали им фронтовой вид. 
Съемки фильма начались 22 мая в павильоне студии Довженко в декорациях «блиндаж КП» и «блиндаж комбата». Затем съемки переместились на натуру: в конце мая начали снимать воздушные бои «яков» с «мессерами». Вот как вспоминает об этом участник тех съемок — оператор Виталь Кондратьев: 
«Для удобства воздушных съемок я придумал особое устройство, которое крепилось между первой и второй кабинами и позволяло брать кадр крупным планом прямо во время полета. Быков мое изобретение одобрил и тут же решил первым подняться в воздух, чтобы испытать его в деле. Пилот выписывал в небе «бочки» и «мертвые петли», а Леонид Федорович включал камеру, давил на гашетку и кричал в объектив: «Серега, прикрой! Атакую!» После нескольких дублей самолет садился, я менял кассету с пленкой, и машина снова поднималась в небо. В конце съемочного дня Быков буквально вывалился из самолета и плюхнулся на зеленую траву аэродрома. «Ну, как дела?» — спросил я, подбежав к нему, и услышал в ответ: «Проявим пленку- увидим!» 
В начале июня начали снимать эпизоды «на аэродроме». Поскольку Быков не любил, когда его дублировали, он все трюки старался делать сам. И за время съемок вполне прилично освоил управление самолетами. 
Правда, в воздух он их не поднимал, но зато самостоятельно запускал двигатель и рулил по аэродрому. Иной раз без накладок не обходилось. Как-то он не смог рассчитать курс, и правое колесо попало в яму от пиротехнического взрыва. Самолет клюнул носом, полетели лопасти пропеллера, заднее колесо отломилось вместе со стойкой. Быков заработал на лбу здоровенную шишку, но расстроился не из-за этого. Дело в том, что авария произошла на том самом «Яке» с нарисованными на борту нотами и скрипичным ключом. 
Поскольку везти самолет для ремонта в Киев значило потерять уйму времени, было решено восстанавливать «железную птицу» на месте, своими силами. Помогло киношникам то, что предусмотрительный механик захватил из Киева несколько запасных лопастей, которые тут же установили на поврежденную машину. Но тут же возникла другая проблема — с задним шасси. Здесь нужна была сварка, которую на месте провести было нельзя. 
И тогда за дело взялся оператор Виталь Кондратьев. Он положил изувеченную деталь в багажник своего авто и поехал в Чернигов на станцию юных техников, где у него имелись друзья. Однако когда он приехал, на станции никого не оказалось. Пришлось оператору «вылавливать» их по домам. Узнав, что он с Быковым снимает кино о фронтовых летчиках, мастера с радостью согласились им помочь. Стойку заварили, и на следующее утро самолет был снова готов к полетам. 
Весь июнь снимались натурные объекты: «березовая роща», «аэродром в степи», «аэродром на лугу». В начале июля группа перебазировалась под Чернигов, где на берегу Десны предстояло отснять эпизоды на объектах: «аэродром в лесу», «река», «окраина села» и др. Однако начать съемки сразу не удалось — и из Киева не прибыли самолеты. Ждали их день, второй, третий, после чего нервы у Быкова не выдержали, и он собрал экстренное собрание коллектива. Вопрос на повестке был один: замена нерасторопного директора фильма на другого, болеющего за дело. Голосование было единогласным. Вскоре из Киева прибыл новый директор — Николай Золочевский, с которым ситуация мгновенно сдвинулась с мертвой точки и самолеты наконец-то дошли до места назначения. 
Между тем через несколько дней случилось новое ЧП: с картины ушел исполнитель роли Смуглянки Анатолий Матешко, который прельстился главной ролью в другом фильме. Далее послушаем рассказ оператора фильма В. Кондратьева: «Помню, тем утром я встретил Быкова в буфете. Он стоял расстроенный и мял в руках какую-то бумажку. В ответ на мой удивленный взгляд он протянул мне телеграмму с киностудии: «Срочно отправьте в Киев Матешко». Что тут поделаешь? Поехали на съемочную площадку, а тут как раз ассистент режиссера привез из Киева «желторотиков» — молодых ребят — студентов театрального института, только что окончивших первый курс. Их представили Быкову. Он осмотрел начинающих актеров профессиональным взглядом, выискивая нового Смуглянку, и остановился на девятнадцатилетнем пареньке, Сереже Подгорном…» 
Между тем до конца съемок оставался еще месяц, а 8-10 сентября уже снимался финал: Маэстро, Макарыч и Кузнечик находят могилу двух летчиц, одна из которых была невестой их боевого товарища Ромео. Как мы теперь знаем, фильм завершается эпизодом, когда Маэстро и Макарыч сидят в степи возле памятника, и на фоне этого финального кадра будет звучать песня «За того парня». 
В середине сентября группа перебазировалась на Киностудию имени Довженко, где предстояло отснять павильоны. Так, 20-24 сентября снимался эпизод в декорации «столовая»: Кузнечик, мастерски завалив «мессера» на глазах родной эскадрильи, приходит в столовую, где товарищи устраивают ему торжественный прием. В эти же дни был отснят и другаой «столовый» эпизод: когда летчики «второй поющей» поминают погибшего Смуглянку. В последующие несколько дней были отсняты эпизоды в декорациях: «хата девчат», «палатка», «хата 2-й эскадрильи». Параллельно снимались воздушные бои. 
Съемки фильма закончились в середине октября, после чего начался монтаж. Он длился до 6 декабря. Шесть дней спустя фильм без поправок приняли на студии, а 27 декабря состоялась сдача ленты в Госкино Украины. На нее были приглашены не только высокие чины украинского кинематографа, но и те, о ком, собственно, и рассказывал этот фильм — летчики-фронтовики. Одним из них был прославленный советский ас, трижды Герой Советского Союза, сбивший в 156 воздушных боях 59 фашистских самолетов, Александр Покрышкин. Лента его буквально потрясла. Когда в зале зажгли свет, от присутствующих не укрылось, что Покрышкин вытирает слезы. А потом картину посмотрел и сам прототип Маэстро Виталий Попков. Вот его рассказ об этом: 
«Был по службе в Киеве, позвонил Лене Быкову, поехали с ним в Министерство культуры Украины, прокрутили фильм. Министр упорствует: что это за фильм, говорит, люди не возвращаются с боевых заданий, гибнут, а живые песенки распевают. И резюмирует: такого на фронте не было и быть не могло. Спрашиваю министра: был ли он сам на фронте? Логика чиновника удивительна: не был, отвечает, но знаю. 
И тогда я рассказал министру, что летал на одном из двух самолетов, купленных на деньги джаза Утесова и подаренных нашему полку. И что Леонид Осипович со своими музыкантами приезжал к нам на аэродром, и мы вместе играли и вместе пели. Убедил. На него подействовали, наверное, не столько мои доводы, сколько генеральские эполеты и две геройских Звезды…» 
Во многом именно благодаря хорошим отзывам бывших фронтовиков, успевших посмотреть фильм до его выхода на широкий экран, Госкино СССР приняло решение поощрить создателей картины. 6 февраля 1974 года был издан приказ о выплате им денежного вознаграждения. 
Это было справедливое решение, если учитывать, что лента была снята с большой экономией средств: из отпущенных на ее постановку 381 тысячи рублей было потрачено 325 тысяч. В числе поощренных было 39 человек. При награждении особо выдели режиссера-постановщика Леонида Быкова: ему выплатили 200 рублей премии и присвоили звание «режиссера-постановщика 1-й категории» (для примера: актерам А. Смирнову, В. Талашко и С. Иванову выплатили по 50 рублей). 
Между тем руководству Киностудии имени Довженко сумма вознаграждения главным создателям фильма покажется недостаточной, и оно будет ходатайствовать перед Госкино СССР о том, чтобы авторам сценария (Л. Быкову, Е. Оноприенко и А. Сацкому) подняли гонорар с 6 тысяч рублей до максимального — 8 тысяч. Однако этот трюк не пройдет: в Госкино посчитают, что «работа коллектива поощрена достаточно убедительно и увеличение гонорара не представляется целесообразным». Это при том, что через несколько месяцев фильм «В бой идут одни «старики» соберет множество призов на различных кинофестивалях и принесет доход в сотни миллионов рублей. 
На широкий экран фильм вышел 12 августа 1974 года. И уже к концу года собрал на своих сеансах 44 миллиона 300 тысяч зрителей (4-е место), что явилось большой неожиданностью: к тому времени фильмы о Великой Отечественной войне такой «кассы» практически не собирали.