Работу над сценарием Эйзенштейн начал в январе 1941 года. Готовясь к фильму, он тщательно изучал летописи, исторические труды об Иване Грозном, фольклор.

Согласно замыслу первая серия картины охватывала юность Ивана, венчание на царство, Казанский поход, смерть Анастасии и завершалась крёстным ходом к Александровской слободе, куда, покинув царство, удалился Иван.

На роль Ивана Грозного был утверждён Николай Черкасов. Режиссёр выдвинул перед ним сложные задачи. Актёр писал в своей книге: «Он требовал, чтобы характеристика Грозного складывалась и раскрывалась перед зрителем в точном соответствии с развитием действия, между тем как действие охватывало свыше двадцати лет его жизни, разносторонней государственной деятельности. Одни лишь многочисленные внешние перевоплощения, через которые проходил Грозный, от лучезарного юноши и до изнеможённого борьбой, но сильного, властного правителя государства, ставили ряд серьёзных трудностей».

В фильме у Черкасова было больше десяти возрастных гримов. На вопрос: «Отталкивался ли Эйзенштейн во внешности персонажей от их исторических прототипов, показывал ли вам портреты Ивана Грозного?» — художник-гримёр Горюнов ответил: «Никогда. Он говорил, что образ делается нами, мы должны показать своё к нему отношение». Как говорил сам Эйзенштейн, «не столько Эль Греко, сколько монахи Алессандро Маньяско стилистически определили облик и движения моего Ивана Грозного — Черкасова». В картинах Маньяско, итальянского художника XVII—XVIII веков, он увидел не только линии Эль Греко, но и Домье, Калло, Гойи…

Съёмки «Ивана Грозного» начались 1 февраля 1943 года в Алма-Ате, куда был эвакуирован «Мосфильм». Правительство Казахской ССР предоставило группе Эйзенштейна недавно отстроенный в столице Дом культуры, зрительный зал и сцена которого служили в качестве кинопавильона.

Кинематографисты были обеспечены всем необходимым для создания монументальной картины в двух сериях, требовавшей бесконечной смены громоздких строенных декораций и громадного количества костюмов, от богатых царских облачений до сотен кольчуг для пушкарей и латников. Правда, съёмки в павильоне часто приходилось вести по ночам, так как днём электроэнергия шла на нужды заводов, работавших для фронта.

Неожиданно выяснилось, что нет фанеры для постройки фундуса — щитов, из которых делают декорации. Сообразили, что растёт в Казахстане крупный кустарник. Его зовут чий. Плетут из него маты, кладут на пол под кошмы. Когда начали делать декорации к «Ивану Грозному», то набивали на брусья маты из чия, а потом их штукатурили. Можно только поражаться, как умел Эйзенштейн при скромных возможностях военного времени создать прекрасные декорации соборов и царских палат.

На картине работали два оператора: Эдуард Тиссэ, снимавший натуру, и Андрей Москвин, которого режиссёр специально пригласил для павильонных съёмок. Портретные съёмки оператора Москвина могли бы составить гордость любой кинематографии. «Иван Грозный» — один из ярчайших в истории мирового кино примеров живописного кинематографа.

Художником фильма являлся И. Шпинель, но при разработке эскизов ему активно помогал Эйзенштейн. В разработке эскизов, костюмов Сергей Михайлович опирался на собственный дар блистательного художника-графика. Он нарисовал более двух тысяч набросков для картины.

Эйзенштейн сам делал эскизы костюмов, добиваясь того, чтобы костюм подчёркивал характеристику действующего лица. Он с неутомимым вниманием следил за второстепенными, казалось бы, аксессуарами — за утварью, за предметами культа, добиваясь выразительности мельчайших деталей, стилистического единства всех подробностей. Эйзенштейн говорил, что привык «думать рисунками», и эта изобразительная отточенность присутствует в каждом кадре. Весь финал первой серии был зарисован им в последовательном развитии кадров, причём не эскизно набросан, как обычно у режиссёров, а подробно, обстоятельно разработан, — это была серия вполне законченных, завершённых рисунков. Он старался воспроизвести в кадре то, что было изображено им на бумаге. Эйзенштейн долго, тщательно устанавливал кадр и подолгу смотрел в глазок аппарата, прежде чем приступить к съёмке, добиваясь того, чтобы каждый кадр в отдельности представлял собою законченную живописную картину.

Сергей Михайлович обращал внимание главным образом на пластическую выразительность актёрской игры. Благодаря этому и появилось выражение: «Эйзенштейн выгибает актёра под картиночку». Другая подобная шутка была рождена местным, казахстанским, колоритом: «У Эйзенштейна актёр выворачивается как саксаул».

Черкасов, вдохновлённый патриотическим замыслом фильма, был необычайно увлечён работой. «Мужественный, величавый, волевой образ Ивана Грозного, бесстрашного в борьбе за высшие интересы государства, насыщенный сложным психологическим содержанием, поставленный в острые по своему драматизму положения, в ситуации подлинного трагического характера, с первых же дней работы над ролью поглотил все моё внимание и силы», — вспоминал Черкасов о том времени.

Работа с Эйзенштейном представляла несомненные трудности для актёров, большинство из которых встретились с этим режиссёром только на «Иване Грозном». Актёрский состав подобрался необычайно сильный. Как говорил сам Эйзенштейн: «Я с бездарностями вообще не имею дела».

В «Иване Грозном» созданы прекрасные образы: зловещая Ефросинья Старицкая — Бирман, прямодушный и бурный Колычев — Абрикосов, исступлённо ненавидящий Пимен — Мгебров, фанатичный молодой Басманов — Кузнецов, инфантильный и безвольный Владимир Старицкий — Кадочников. Одним чувством ненависти к боярам живёт Федор Басманов — Бучма. Ещё более колоритен Малюта Скуратов — Жаров. Сталин особо отметил Названова в роли Курбского. Собственно говоря, в фильме нет актёра, включая исполнителей эпизодических ролей, которые не создали бы запоминающихся фигур. Даже юный Вицин, два раза мелькнувший среди безусых, по-современному выглядевших нагловатых опричников, запоминается своей мальчишеской безоглядностью.

На съёмочной площадке Эйзенштейн много экспериментировал, варьировал, делал десятки вариантов одного кадра. Режиссёр понимал, что вторая серия полемичнее политически, но сильнее драматургически, поэтому он делал все, чтобы сократить разрыв между выпуском двух серий до минимума. Многие сцены второй серии снимались одновременно с первой, а некоторые, вообще сначала предназначавшиеся для первой серии, только в процессе монтажа оказались во второй (например, сцены детства Ивана). Эйзенштейн делал режиссёрские разработки характеров действующих лиц и выстраивал непрерывную линию поведения персонажей сразу для всего фильма. Ещё 31 марта 1942 года Эйзенштейн записывает: «…дрался в парткоме 17 марта за выход обеих серий одновременно…»

Накануне нового, 1944 года в Алма-Ату прибыла комиссия Комитета по делам искусств. Она просмотрела отснятый материал по «Ивану Грозному» и одобрила его.

В процессе съёмок первоначальные планы Эйзенштейна претерпели изменения — материал не умещался в две серии, и фильм должен был стать трилогией, соответственно трём этапам правления Грозного. В противном случае три четверти чудеснейшего материала пришлось бы выкинуть.

Вторая серия фильма, согласно первоначальному плану, была посвящена полному разгрому боярской оппозиции и заканчивалась высшим подъёмом ратных подвигов Грозного, его походом против ливонских рыцарей, его победоносным выходом к водам Балтики. «Отныне и до века да будут покорны державе Российской моря… На морях стоим — и стоять будем!» — такими словами Ивана Грозного завершалась вторая серия посвящённой ему эпопеи.

По новому варианту вторая серия фильма заканчивалась задолго до наступления этих событий. Заключительные её кадры были посвящены убийству Старицкого, — иначе сказать, победе Ивана IV над внутренним врагом, над боярской оппозицией.

В июле 1944 года съёмочный коллектив был уже в Москве, в знакомых павильонах «Мосфильма» на Потылихе. Последние досъемки, монтаж, озвучание — теперь работа над первой серией быстро двигалась к концу.