Леонид Быков поступал в летную школу в 1945 году, но малый рост не позволил ему стать летчиком.

Быков осуществил свою давнюю мечту и освоил управление самолетом во время съемок картины.

Поющая эскадрилья на самом деле существовала во время Великой Отечественной войны.

Студентка театрального института Евгения Симонова снималась во время учебы — на съемочную площадку ее привела мама.

Государственные чиновники долго не принимали сценарий фильма, вначале производства картины для съемок выделили всего один самолет. После того как сценарий фильма очень понравился одному из маршалов авиации — на площадке появилось ещё два самолета.

В роли «догорающего мессера», сбитого «Кузнечиком» был использован планер КАИ-12 «Приморец».

История Героя Советского Союза Надежды Поповой и Героя Советского Союза Семёна Харламова легла в основу любовной линии фильма.

Еще в 1967 году Леониду Быкову предложили поставить картину о летчиках по сценарию Владимира Кунина «Хроника пикирующего бомбардировщика». Однако он непременно хотел включить в нее песню Смуглянка, что было категорически отвергнуто Куниным. Свой замысел о летчиках, поющих «Смуглянку», Быков воплотил в ленте «В бой идут одни «старики».

Занимает по посещаемости 61-е место среди отечественных фильмов за всю историю советского кинопроката.

Изначально Леонид Быков хотел снимать фильм цветным. Но цветная пленка, которая лежала на студии Довженко, давалась только на соцреалистические фильмы. Быкову говорили: если будешь снимать под заказ фильм о трактористах – дадим цветную пленку. На фильм о войне дали только черно-белую.

Роль советских истребителей в фильме исполняют учебно-тренировочные самолёты Як-18, роль Мессершмитта — чехословацкий спортивно-пилотажный Злин Z-326 Акробат. Пилотированием занимались лётчики ДОСААФ. Настоящие истребители времён второй мировой появляются только на вставках с кинохроникой.

На роль Смуглянки пробовался Владимир Герасимов.

Героям фильма, капитану Титаренко и механику Макарычу были установлены памятники в Киеве и Харькове соответственно.

Во время работы Быков проконсультировался с большим количеством ветеранов, в результате чего многие персонажи получили реальные прообразы. Например, прототипом командира эскадрильи гвардии капитана Титаренко стали сразу несколько человек: дважды Герой Советского Союза Виталий Попков, Герой Советского Союза Иван Лавейкин, а фамилия Титаренко и позывной «Маэстро» были взяты Быковым после того как он узнал о Дмитрии Титоренко — ведомом трижды Героя Советского Союза Ивана Кожедуба, эпизоды из биографии которого были включены в фильм. Также появился в сценарии и Вано — в память о фронтовом друге и первом непосредственном командире (ведущем пары) Кожедуба на фронте, отважном грузинском лётчике младшем лейтенанте Вано Габуния, героически погибшем при таране немецкого истребителя Ме-109.

Считается, что прототипом Смуглянки стал Виктор Щевронок, друг детства Леонида Быкова, с которым они вместе поступали в лётное училище, и который погиб в апреле 1945 года при освобождении Чехословакии.

Прообразом Зои стала Герой Советского Союза Надежда Попова, заместитель командира эскадрильи 46-го гвардейского женского полка ночных бомбардировщиков. Сцена знакомства с девушками, когда лётчики с удивлением обнаруживают, что у гостей больше орденов и медалей, чем у них, действительно имела место. В отличие от своей героини, Надежда Попова прошла всю войну и позже вышла замуж за Героя Советского Союза Семёна Харламова, который выступил главным консультантом фильма.

Помимо Титаренко, Виталий Попков стал прообразом лейтенанта Александрова («Кузнечик»). Будущего дважды Героя Советского Союза командир однажды отстранил от полётов на три месяца: лётчик выписывал чрезмерно низкие виражи над аэродромом с целью покрасоваться перед девушками. Для образа Кузнечика также были заимствованы эпизоды из мемуаров дважды Героя Советского Союза Сергея Луганского «На глубоких виражах».

Многие детали сценария были взяты из жизни. Рисунок нотного стана на фюзеляже истребителя «Маэстро» был сделан по аналогии со штурмовиком Ил-2 Василия Емельяненко. Имели место и трагическая история любви узбекского лётчика (настоящая фамилия — Марисаев) и русской девушки (в отличие от своей героини, она не была лётчицей и погибла при бомбёжке столовой), привычка механика крестить перед вылетом самолеты, попадание Маэстро в плен к своим и фраза «Я бы, товарищ командир, ещё больше фрицев сбил, да вы своим нижним бельем всех фрицев распугали».

Ветераны особого отдельного 434-го истребительного полка утверждали, что эпизод из фильма, когда Титаренко возвращается в полк после боя не на самолёте, а на лошади («махнул не глядя!») — взят из реальной жизни: под Сталинградом был сбит и вернулся ночью на коне летчик из их полка Александр Александров. Точно так же ветераны 1-й гвардейской авиадивизии поведали, что когда в фильме показывают, как Титаренко обнаруживает замаскированные под копнами сена немецкие танки, то имеется в виду их боевой товарищ и командир — Герой Советского Союза гвардии майор Степан Прутков.

Название фильму дала традиция лётчиков не пускать сразу в воздушный бой вновь прибывшее пополнение, давая им «налетать» опыт.

Законченный сценарий был отвергнут чиновниками Госкино Украины, так как был признан «негероическим». Тогда Быков стал зачитывать отдельные куски сценария во время гастролей в разных городах Советского Союза. Это неизменно вызывало у зрителей восторг, что убедило Быкова в своей правоте. Постепенно за сценарий стали вступаться участники Великой Отечественной. В частности, 14 ноября 1972 года на киностудию Довженко прислал письмо начальник штаба войсковой части № 55127 полковник Лезжов, который охарактеризовал сценарий как «честный рассказ о войне и о людях, которые добыли в ней победу».

Быкову с трудом удалось утвердить кандидатуру Алексея Смирнова на роль механика Макарыча. Актёр был известен зрителю исключительно как артист комедийного плана, поэтому чиновники отказались утверждать его на роль. В ответ Быков заявил, что откажется снимать фильм, если в нём не будет Смирнова, и рассказал о боевой биографии актёра, участника Великой Отечественной, кавалера трёх орденов.

По изначальному замыслу Быкова роль Скворцова должен был исполнять Леонид Филатов. Владимир Талашко, в итоге исполнивший роль ведомого Титаренко, позже сказал, что если это и было так, то Быков о таких подробностях умолчал, чтобы не ранить коллегу.

На роль «Кузнечика» Быков планировал пригласить Владимира Конкина. Конкин согласился на роль Кузнечика, но в тот период он был занят в фильме «Как закалялась сталь» Николая Мащенко, и режиссёр не отпустил его на съёмки к Быкову.

Рустам Сагдуллаев, сыгравший лейтенанта Сагдуллаева, он же «Ромео», одновременно снимался в фильме «Мой добрый человек», для чего актёру приходилось постоянно летать в Ташкент, где проходили съёмки. По этой же причине он проводит большую часть фильма в шлемофоне или пилотке, чтобы его длинные волосы, нужные для другой роли, не нарушали достоверности образа лётчика времён Великой Отечественной войны.

Фильм стал кинодебютом Евгении Симоновой.

Помимо режиссуры и участия в фильме, Быкову приходилось бороться с директорами картины. По воспоминаниям Рустама Сагдуллаева, за время съёмок у ленты сменилось три директора, и каждый из них пытался мешать рабочему процессу. Например, забывали реквизит, тайком от Быкова отзывали со съёмок массовку или просто не выполняли своих обязанностей. Сам факт завершения съёмок Сагдуллаев впоследствии назвал «настоящим чудом».

Несмотря на восторженную реакцию ветеранов (премьеру фильма посетили лётчики 8-й отдельной армии ПВО, которой командовал дважды Герой Советского Союза, генерал-полковник авиации Владимир Лавриненков), представителям Министерства культуры Украины фильм не понравился и был отправлен «на полку». За ленту вступились зрители и ветераны, в числе которых был и член ЦК КПСС, главнокомандующий ВВС, Главный маршал авиации Герой Советского Союза Павел Кутахов. Заступаться за картину лично ходил на приём к министру культуры Украины и дважды Герой Советского Союза генерал-лейтенант авиации Виталий Попков. Окончательное решение выпустить фильм в широкий прокат было принято благодаря его успеху на VII Всесоюзном кинофестивале, где картина получила две первые премии — за лучший фильм и исполнение мужской роли и специальный приз от министерства обороны СССР.

Во многом именно благодаря хорошим отзывам бывших фронтовиков, успевших посмотреть фильм до его выхода на широкий экран, Госкино СССР приняло решение поощрить премией создателей картины. В числе поощрённых было 39 человек. При награждении особо выделили режиссёра-постановщика Леонида Быкова: ему выплатили 200 рублей премии и присвоили звание «режиссёра-постановщика 1-й категории», тогда как актёрам Алексею Смирнову, Владимиру Талашко и Сергею Иванову выплатили по 50 рублей. Руководство киностудии имени Довженко сочло сумму вознаграждения недостаточной, но ходатайство перед Госкино СССР об увеличении гонорара авторам сценария с 6 тысяч рублей до максимального — 8 тысяч — осталось неудовлетворённым.

К 2009 году фильм был колоризирован и отреставрирован, военная хроника в фильме была очищена от царапин и ей также придан цвет. При колоризации ничего не убиралось и не добавлялось.