Николай Симонов погрузился в изучение указов, решений сената, служебной переписки, личных писем царя. Оказалось, что в сценарии текст роли Петра во многих случаях совпадает с его действительными речами, распоряжениями, заметками. Актёр внимательно вглядывался в гравюры, зарисовки, в портреты императора. Листал тома «Писем и бумаг Петра Великого». Особенно полезными оказались «История царствования Петра Великого» Н. Устрялова и «Деяния Петра Великого, мудрого преобразователя России» (тридцать томов!) И. Голикова.

Много сил отняли поиски грима, внешности. Художник Н. Суворов, гримёр А. Анджан создали десятки эскизов. Симонову немного подбрили волосы, увеличив лоб. Сделали парик, воспроизводивший характерную петровскую причёску. Наклеили усы, тоже стремясь сделать их похожими (по описанию современников, усы Петра были «как у кошки»), густые щетинистые брови. Для того чтобы на экране получить одутловатость щёк, очень характерную для Петра, Симонов снимался немного небритым. Рост императора достигал 204 сантиметров. Чтобы сделать Симонова выше окружавших его людей, актёра (он имел рост 182 сантиметра) обували в сапоги на высоких каблуках, а внутрь сапог подкладывали пробки.

Фильм представлял собой широкое эпическое полотно, народную драму, с огромным охватом событий, многоплановой композицией, разветвлённой системой сюжетных связей, со множеством действующих лиц и многотысячными массовками батальных сцен. «Камерная картина с громадными массовками и в две серии», — шутил директор студии А. Пиотровский. Осуществить постановку такого фильма было делом нелёгким. Режиссёру Владимиру Михайловичу Петрову во многом помог опыт экранизации классики, приобретённый им в работе над «Грозой».

Во время подготовительного периода требовалось набрать «войско». В ответ на объявления в газетах к воротам «Ленфильма» явилось около десяти тысяч человек, из которых отобрали полторы тысячи наиболее характерных, «типичных» для Петровской эпохи — они должны были изображать солдат бояр, юродивых. На разных предприятиях было заказано 1400 треуголок, 200 гренадерских шапок, 1300 туфель, 1000 штыков, 60 тысяч пуговиц…

Художник Суворов готовил макеты — по их образцу сооружались крепость, монастырь, дом Меншикова, улицы города. В Озерках, за Поклонной горой, был возведён огромный декорационный комплекс — шведская крепость, которую предстояло штурмовать петровским войскам. Сорок вагонов леса пошло на стройку…

Съёмки начались 2 августа 1935 года. Владимир Петров сразу же приступил к одной из ключевых сцен первой серии — «Штурм шведской крепости». Здесь были массовые батальные сцены, быстрые передвижения войск в кадре, с пиротехникой и прочими эффектами, и ответственные актёрские эпизоды.

Поле боя было тщательно подготовлено. В определённых местах были заложены пиротехнические фугасы, соединённые проводами с пультом пиротехника. В нужный момент он нажимал кнопку, и тогда взлетали очень эффектные дымовые фонтаны. Места зарытых фугасов отмечались белыми камешками, чтобы участники массовки, те, кто изображал убитых или раненых, не вздумали бы на них упасть или встать. Кроме того, на некоторых фугасах были положены изготовленные у Фишмана «трупы», которые при взрыве взлетали на воздух. Все участники массовки были, конечно, тщательнейшим образом проинструктированы.

В перерывах между съёмками актёры отдыхали на террасе соседней дачи. «Зной был страшный. Разрывались дымовые шашки, и мне в суконном костюме было так жарко, что и представить трудно», — вспоминал Симонов. Приезжал на съёмки и Алексей Толстой с женой.

В конце августа начались обложные дожди. Продолжение съёмок «штурма» пришлось перенести на следующее лето.

С погодой фильму не везло и в дальнейшем. Сцену «Снятие колоколов» хотели снимать на зимней натуре, в яркий солнечный день. Но вопреки ожиданиям весь февраль шёл дождь со снегом. «Облегчённый» вариант декорации пришлось возвести на студии. Сугробы снега имитировались смесью нафталина, опилок и соли. От резких запахов у актёров начинала болеть голова, возникали приступы удушья. Но неумолимый Петров снова и снова снимал очередной дубль, разрешая лишь короткие перерывы на проветривание.

Ещё на съёмках всех потрясал вулканический темперамент Симонова. Иногда у его партнёров даже возникало опасение, как бы Симонов часом не забылся и в своих порывах — особенно там, где он в ярости — не перешёл границ.

…Снимался эпизод «После ассамблеи». Меншиков просыпается с головной болью: «Катя! Квасу!» В покои «светлейшего» врывается царь с мундиром из гнилого сукна, которое поставлял на армию Меншиков. «Вор!» — кричит Пётр и в страшном гневе наотмашь бьёт своего «Алексашку».

Михаил Жаров в мемуарах описал свои переживания во время съёмки этой сцены: «Я нервничать начал уже с утра. Хожу рассеянный, все из рук валится».

Тем временем в одном из углов павильона Симонов готовился к съёмке. А Жаров умоляюще говорил Петрову: «Не нравится мне сегодня что-то Симонов, уж слишком старательно готовится он к нашей сцене… темперамент нагоняет, значит… убьёт! Ей-богу, убьёт!» Жаров упросил-таки режиссёра снять эпизод «безопасным» способом, расчленив его на куски, чтобы успеть под симоновские удары «подставить подушечку».

Фильм представляет собой явление по количеству первоклассных актёров, сыгравших в нём.

В Петре — Симонове страстность соединялась с железной волей и всесокрушающей напористостью. Следуя за Толстым, актёр стремился передать не только многогранность, но и противоречивость натуры царя. В фильме сцены буйного веселья Петра сменяются приступами ярости, минуты мрачных раздумий чередуются с вспышками озорства, нежность, юмор уживаются с грубостью и бесцеремонностью. «Этот образ сложен, многогранен, — говорил актёр. — Мне хотелось показать историческую прозорливость Петра, его патриотизм, преданность исконным интересам России».

Незабываемы Н. Черкасов в роли царевича Алексея, М. Жаров в роли Меншикова, М. Тарханов — Шереметьев, В. Гардин — Толстой, А. Тарасова — Екатерина, И. Зарубина — Ефросинья. Все эти роли были сыграны в лучших традициях русской реалистической актёрской школы.

Николай Черкасов писал в своей книге: «Создавая образ царевича Алексея, я стремился, чтобы он предстал перед зрителями не только в своём ничтожестве и бессилии, но и как человек, не лишённый характера, активных волевых черт, старался представить его не только как слепое орудие, но и как сознательную силу в руках реакционных деятелей петровского времени».

При просмотре отснятого материала Толстой отметил верность и полноту характеристики царевича Алексея.

Исполнительница роли Екатерины Алла Тарасова внесла в фильм обаяние жизнерадостного и непосредственного характера, заботливость любящей женщины, радость счастливой матери. Но Екатерина могла быть и властной, гордой и сильной. Особенно проявляется сила характера Екатерины в сценах после сближения с Петром, когда она становится подругой и сподвижницей царя.

Через весь фильм проходит образ ближайшего сподвижника царя Александра Меншикова. Михаил Жаров наделил его большим жизнелюбием, бойкостью, сметливостью, юмором и лукавством.

Для того чтобы почувствовать аромат эпохи и найти соответствующее настроение и даже интонацию при характеристике своего героя, Жаров переночевал однажды в Летнем дворце на Неве, постелив тулуп на полу. А когда утром в дверь вошёл Алексей Толстой, чтобы вместе поехать на съёмки, у Жарова как-то само собой вырвалось меншиковское обращение: «Мин херц!», с которым он долгое время не расставался.

Эти полюбившиеся Жарову слова так прилипли к нему, что актёр чувствовал их своими собственными и невольно выпалил всесоюзному старосте М.И. Калинину, когда получал из его рук орден за работу в «Петре Первом».

Владимир Петров был очень хорошим монтажёром, его монтажные комбинации обычно тщательно продумывались заранее, а иногда он блестяще импровизировал за столом, поэтому умелое монтажное сочетание таких кадров, снятых к тому же в разных, заранее задуманных ритмах, приводило в большинстве случаев к очень сильному по своей выразительной динамике эффекту, например в сценах «Снятие колоколов», «Штурм шведской крепости» и т.д. Но при всём этом основные сцены носили камерный характер, строились главным образом на средних и более крупных планах.