Действие фильма разворачивается с 12 февраля по 24 марта 1945 года, незадолго до капитуляции Германии во Второй мировой войне. Герой фильма, штандартенфюрер Макс Отто фон Штирлиц, советский разведчик, работающий в центральном аппарате СД, получает задание выяснить, кто из высших руководителей Рейха ведёт сепаратные переговоры о перемирии с США и Великобританией.

Работа Штирлица в СД вызывает подозрения у начальника РСХА Кальтенбруннера, и он поручает гестапо провести в отношении Штирлица тщательную негласную проверку.

При бомбёжке Берлина погибает радист Штирлица Эрвин Кин. Вторая радистка — Кэтрин, супруга Эрвина — попадает в клинику Шарите, где её случайно разоблачает гестапо. Задача Штирлица осложняется: он остался без связи с московским руководством.

О том, что переговоры действительно идут в Швейцарии, и их инициатором является глава СС Гиммлер, Штирлиц знает точно. Он сам по поручению своего прямого начальника Шелленберга участвует в их обеспечении. Передать сведения в Москву Штирлиц поручает порознь двум антинацистски настроенным немцам: опальному пастору Шлагу и профессору Плейшнеру, брату одного из руководителей антинацистского подполья. С этой целью, пользуясь своим служебным положением, Штирлиц переправляет обоих в Швейцарию. Шлаг, кроме того, должен попытаться через свои связи в церковных и эмигрантских кругах добыть дополнительную информацию о контактах Гиммлера с англо-американским командованием.

Чтобы воспрепятствовать переговорам, Штирлиц решает использовать соперничество в высших эшелонах власти Рейха. Он идёт на прямой контакт с рейхсляйтером Мартином Борманом и сообщает ему о «предательском заговоре против фюрера».

Тем временем в руки начальника гестапо Мюллера попадают серьёзные улики, указывающие на Штирлица как на советского резидента. Штирлиц ведёт напряжённую психологическую дуэль с Мюллером, стремясь избежать провала. Объяснения, которые он может представить в своё оправдание, достаточно шатки, но Мюллер удовлетворяется ими. Штирлиц для Мюллера теперь — человек Бормана, контролирующего тайные финансовые дела Рейха. Шеф гестапо даёт понять Штирлицу, что заинтересован в нём и сейчас, и особенно после войны, когда нужно будет налаживать отношения с победителями и не опоздать к дележке «золота партии».

Ещё одна задача, которую приходится решать Штирлицу — спасение Кэт. Радистка, по указанию Штирлица, даёт согласие на участие в радиоигре. Штирлиц добивается права курировать эту операцию со стороны СД. Благодаря неожиданному повороту событий Кэт бежит с конспиративной квартиры, где её разместило гестапо. Штирлиц находит способ выехать вместе с нею в нейтральную Швейцарию.

Обращение к Борману даёт результат. Обергруппенфюрера Вольфа, представителя Гиммлера на переговорах с делегацией спецслужб США, отзывают в Берлин. Переговоры сорваны, задание Штирлица выполнено.

В Берне Штирлиц отправляет Кэт на родину, получает от Шлага ценные сведения о контактах Вольфа с американцами, восстанавливает связь с Центром, узнаёт о присвоении ему звания Героя Советского Союза и возвращается в Берлин, чтобы продолжить свою работу.

В этом разделе не идёт речь о соответствии сюжета фильма реальным событиям, связанным с контактами между германским командованием и англо-американскими спецслужбами в 1945 году. Перечисляются лишь частные неточности, нарушающие правдоподобие повествования.

* Историк К. Залесский полагает, что тот образ нацистской Германии, который создан в сериале, скорее больше похож на СССР сталинского времени. По его мнению, «это миф, такого Третьего рейха, который показан в этом фильме, его не существовало… То есть весь дух, все взаимоотношения между персонажами, они ничего не имеют общего с реальностью. Третий рейх был другой. Он был, скажем так, не хуже, не лучше, он был просто другой. А здесь, еще раз повторюсь, больше это похоже на нас».[2] Написанная им книга, посвященная разбору всевозможных ляпов в фильме, называется «Семнадцать мгновений весны. Кривое зеркало Третьего рейха» (М.: Вече, 2006). Вместе с тем, несмотря на подробную проработку исторических деталей фильма и объективную, высокую оценку работы создателей и актеров фильма, у К. Залесского присутствуют сугубо личные оценки, которые не могут быть подтверждены или опровергнуты покойным автором книги Ю. Семёновым.

Исторические неточности
* О Геббельсе, Геринге и Гиммлере в личных делах по фильму сказано: «Образование среднее». На самом деле:
o Геббельс был доктором философии Гейдельбергского университета. Во время обучения, благодаря спонсорству Католического общества А. Магнуса, прослушал курсы лекций у лучших немецких профессоров в Боннском, Фрейбургском, Вюрцбургском, Кёльнском, Мюнхенском университетах. Защитил в Гейдельберге диссертацию о драматургии.
o Геринг окончил Военную академию в Карлсруэ и военное училище в Берлине Лихтерфельде — с максимально возможной суммой выпускных оценок, за что был лично поздравлен кайзером Вильгельмом.
o Гиммлер окончил сельскохозяйственный факультет Мюнхенского политехнического института по специальности «экономист-аграрник».
* Геббельс был назначен гауляйтером Берлина не в 1944 году, как сказано в фильме, а в 1926. Звания обергруппенфюрера СС Геббельс не имел. Во 2-й серии в «Информации к размышлению» сказано, что «фюрер приехал в январе 1945 года на день рождения в дом Геббельса». Однако сам Геббельс родился 29 октября, его жена Магда — 11 ноября; из шести детей четы Геббельс также ни один не родился в январе [3].
* В поездке с пастором Шлагом Штирлиц слушает песни «Милорд» и «Non, je ne regrette rien» («Я ни о чём не жалею») в исполнении Эдит Пиаф, написанные в 1950-е годы.
* Женщины в СС не служили, за исключением так называемых Женских вспомогательных подразделений СС, которые имели собственную систему званий. Так что унтершарфюрер Барбара Крайн не могла иметь даже прототипа.
* Штирлиц в его возрасте холост и бездетен, что противоречит уставу СС, согласно которому каждый член СС к 30 годам обязан был создать семью и завести детей.
* Штирлиц (равно как и многие его коллеги) курит на работе, что противоречит политике борьбы с курением в Третьем рейхе. В 1939 году НСДАП ввела запрет на курение во всех своих учреждениях, а Гиммлер запретил офицерам СС и полиции курить в рабочее время (см. Борьба с курением в нацистской Германии)
* В 1-й серии, перечисляя страны, контролируемые немцами в феврале 1945 года, Гитлер говорит об Австрии, Германии, Чешском и Богемском протекторате. На самом деле Гитлер не мог тогда говорить об Австрии как об отдельной от рейха стране, а «Чешский и Богемский протекторат» — бессмысленная тавтология, он назывался протекторат Богемии и Моравии (ошибка, как и многие другие, перекочевала в фильм из романа).
* В «Информации к размышлению» к биографии Гиммлера утверждается, что он собирал компромат на Р. Лея. При этом в кадре показывают Ю. Штрейхера.
* В 12-й серии Штирлиц, отправляя из Берна три телеграммы, называет приемщице телеграмм город назначения «Константинополь». Между тем Константинополь еще в 1930 году был официально переименован в Стамбул.
* В 1-й серии Эрнст Кальтенбруннер распекает Ф.-В. Крюгера за провал операции по уничтожению Кракова. Крюгер действительно занимал пост высшего руководителя СС и полиции в генерал-губернаторстве, но только до ноября 1943 г. Так что к взрыву Кракова он не мог иметь никакого отношения.
* В 3-й серии присутствующие при встрече Гитлера и Геринга адъютанты фюрера (одного из которых играет Эдуард Изотов) авторским текстом названы, как Шмундт и Бургдорф. В реальности Рудольф Шмундт получил тяжелое ранение при взрыве 20 июля 1944 года и скончался 1 октября 1944 года. Вильгельм Бургдорф был как раз назначен на его место. К тому же, персонаж Изотова явно моложе Шмундта и не имеет генеральского звания. Примечательно, что в тексте романа имена адъютантов вообще не указаны.

Логические неувязки
* В третьей серии Мюллер поручает Холтоффу установить, не пересекались ли ранее пути Штирлица и Айсмана. Но Айсман ранее сам сказал своему шефу, что был со Штирлицем в Испании и под Смоленском.
* Гестаповцы, посланные домой к Штирлицу устроить засаду, приезжают открыто, в форме, оставляют у входа машины и постового.
* Рольф в телефонном разговоре (9-я серия) представляется Кюном. Эту же фамилию упоминает в 7-й серии Барбара Крайн, когда на радиоквартиру приезжает Штирлиц: «…оберштурмбанфюрер Кюн привёз хороший чай…».
* Шлага называют «католическим священником», при этом он «пастор» (а это священник лютеранской церкви), одевается он тоже как протестантский, а не католический священник[4].
* Когда в 9-й серии Рольф приезжает выбивать из Кэт имя резидента, перед домом, где находится радиоквартира, стоит оснащенная радиотелефоном машина гестапо с сотрудником. Разговор Рольфа с Кэт записывается на магнитофон, перед которым тоже сидит гестаповец. Однако, Кэт и Хельмут после убийства Рольфа и Барбары спокойно уходят с радиоквартиры, и никто из гестаповцев им не только не мешает, но даже не сообщает в управление о стрельбе в квартире, которую невозможно не услышать. Мюллер узнаёт, что там что-то произошло лишь после того, как ему докладывают, что на радиоквартире не отвечает телефон. Прослушивание в этот момент могло быть прекращено по технической или другой причине, но по фильму непонятно, что же произошло на самом деле.
* Мюллер сопоставляет перехваченную радиограмму и шифровку, изъятую у Плейшнера, по одинаковым цифровым группам в начале и в конце (адресат и подпись). Если шифр допускает такие совпадения, то его стойкость низка[5], но ни одну радиограмму Штирлица специалисты не смогли расшифровать, то есть его шифр был достаточно надёжен. Следовательно, в разных сообщениях адресат и подпись должны были быть зашифрованы совершенно разными цифровыми комбинациями, и этот эпизод нереален.

Небрежности
* В эпизоде, когда Штирлиц рисует шаржи на Геринга, Гиммлера, Геббельса и Бормана, заметно, что на листках бумаги заранее намечены контуры рисунков.
* В 4-й серии после разговора с Шелленбергом Штирлиц стоит на берегу одного из берлинских каналов, размышляя о том, что был на грани провала. На противоположном берегу канала виден грузовик IFA W50, выпускавшийся в ГДР в 60х-70х годах.
* В заключительной сцене последней (12-й) серии Штирлиц сидит на лужайке. Отчётливо заметно, как мимо него проносятся грузовой ЗИЛ-130 с прицепом, а также автомобиль «Жигули», выпускавшийся с 1970 года[14]. В сцене, где Штирлиц спит в машине, в заднее стекло видно, как проезжает советский грузовик ЗИЛ-130, производимый с 1962 года.
* В сцене, где Кэт подвергают психологическому давлению, выкладывая её ребёнка на мороз, сначала видно, что на голове ребёнка есть чепчик. Через некоторое время, когда ребёнка показывают вновь, видно, что чепчика нет.
* Кэт без видимых затруднений носит на руках двоих детей общим весом не меньше 10 кг, более того, залезает с ними в люк канализации и вылезает из него, удерживая обоих одной рукой. Это выглядит нереально, при том, что внешне она явно не слишком спортивная, к тому же неделю назад перенесла роды. Также на некоторых планах заметно, что свёртки, изображающие детей, намного легче и плотнее, чем должны были бы быть настоящие младенцы, хотя в документальном фильме «17 мгновений — 25 лет спустя» утверждается, что дети во всех эпизодах — настоящие.
* Выйдя из поезда, на котором Плейшнер едет в Швейцарию, Штирлиц идёт к киоску с вывеской «Zeitschrifte» («Журналы»). Правильным было бы написание «Zeitschriften».
* В 9-й серии на 12-й минуте мелькает неправильное написание слова «Птицы» (на лотке с птичьим кормом): «Fögel» вместо верного «Vögel».
* Пастор Шлаг упоминает название кабачка «Пухлый Готтлиб», в то время как на вывеске написано «Zum Groben Gottlieb» («У грубого Готтлиба»). В романах Семёнова также фигурирует именно «Грубый Готтлиб», причём подчёркивается, что название это полностью отражает манеру обращения хозяина с клиентами. Впрочем, сам пастор говорит, что раньше никогда не был в этом заведении, а следовательно, он мог неправильно запомнить название.
* В последней серии после сцены со Сталиным следующий эпизод — Штирлиц идёт по ночному Берну. Этот эпизод снимался в Старой Риге. Штирлиц проходит мимо бывшего универмага «Центрс», в витрине которого написано по-латышски: «Apavi katram gadalaikam» («Обувь на каждый сезон»). В следующей витрине отражается неоновая вывеска на русском: «Гардинное полотно».
* Когда спасённая Кэт с детьми садятся на поезд в Берне, чтобы ехать в Париж, внизу на вагоне видна надпись «Тара 58 т». На следующих кадрах надпись замазана, но просвечивает сквозь краску. На одном кадре отчётливо видна замазанная надпись на вагоне «Мест 32». Надпись «38 Plätze» (38 мест) на вагоне вначале появляется в кадре с ошибкой: «38 Platze» (без умляута), но впоследствии исправляется.
* В пятой серии на 47-й минуте Вольф в особняке специального ведомства США в Берне произносит фразу «прекрасное контральто» по поводу звучащей по радио арии Керубино из оперы Моцарта «Свадьба Фигаро». Партию Керубино исполняет, однако, не контральто, а сопрано.
* На 57-й минуте тот же Вольф сообщает представителям Даллеса, что он спас в своих тайниках картины из галерей Уффици и Патти. «Галерея Патти» не существует, но неподалёку от Уффици расположена картинная галерея Питти (правильнее — Палаццо Питти).

В 2008 году перед 9 мая на канале НТВ были показаны первые рекламные ролики телесериала в цвете.

К 2009 году сериал был полностью колоризирован. Первоначально была отсканирована оригинальная чёрно-белая плёнка на сканере DigiSpirit с разрешением 2048х1556, что составило 40 терабайт дискового пространства, выходное качество Full High Definition — 1920x1080. Работы по приданию цвета длились три года. Художниками выбирались ключевые кадры каждой сцены (всего около 1500 штук), после чего они колористами разрисовывались вручную и служили образцами. В работе участвовали 600 специалистов из разных стран (Россия, США, Южная Корея, Китай, Индия). Параллельно был переработан звук, добавлены звуковые эффекты (немецкие голоса, звук ветра, шум мотора).

Колоризация каждой минуты фильма обошлась в 3000 долл. США.

Начиная с 4 мая 2009 года на телеканале «Россия» были показаны цветные серии фильма (по две серии в день).

В процессе колоризации и последующего перемонтажа фильм был существенно урезан за счёт сокращения начальных и финальных титров, а также отдельных сцен, пауз и диалогов, (примерно 25 % хронометража: серии, длящиеся в оригинале около 70—73 минут, в новой версии длятся по 51 минуте каждая). Также было замечено, что Ефим Копелян читает текст «от автора» несколько быстрее и без своих знаменитых пауз. Радистка на допросе падает в обморок практически мгновенно с последней фразой. Были отреставрированы кадры кинохроники и сама художественная лента фильма, которая за 35 лет проката существенно «состарилась». Кроме того, были заменены вставки «Информация к размышлению», начальные и финальные титры, «личные дела» на сотрудников РСХА были пересняты заново.