Почти все снятые в фильме танки — это модели в масштабе 1:16. Для съёмок внутри танков была построена модель интерьера танка в натуральную величину. Кроме того, в натуральную величину была построена и модель целого танка.

Для придания реалистичности движению моделей танков их снимали в 4 раза быстрее, а затем замедляли полученные кадры. Камера была установлена на роботизированную руку немецкой фирмы KUKA.

Первоначально сбор средств на фильм осуществлялся с помощью краудфандинга, и в конечном итоге собранная сумма составила 34 746 062 рубля. Затем к финансированию фильма присоединились Министерство культуры РФ и Министерство культуры Казахстана. Финансовую, организационную и техническую поддержку на разных этапах кинопроизводства фильму оказала компания Gaijin Entertainment.

Из-за особенностей краудфандингового бюджета, кастинг занял продолжительное время. Первым утвержденным актером стал Яков Кучеревский, сыгравший сержанта Добробабина — он дал согласие сниматься за два года до съемок. Самым последним утвердили Алексея Морозова на роль политрука Клочкова — за один день до начала съемочного периода.

Панфиловская дивизия формировалась в Казахской ССР, в составе роты было немало казахов и киргизов, поэтому требовалось много актеров восточной внешности в массовке. Команда Андрея Шальопы обратилась в национальные диаспоры Москвы, Санкт-Петербурга и Иваново. В целом в команду входили 360 участников, а всего в проекте задействованы до 700 человек.

Съёмки начались 4 октября 2013 года в павильонах на «Ленфильме». Основная часть съёмок состоялась зимой 2014/15 года, зимние сцены снимались под Санкт-Петербургом и в Иваново.

В фильме были задействованы как профессиональные актёры, так и добровольцы-любители.

Военным консультантом выступил руководитель военно-исторического клуба «Ленинград-900» Артём Кокин.

Для съёмок первых сцен фильма директор Военного музея Карельского перешейка Баир Иринчеев безвозмездно передал реквизит и униформу бойцов РККА, также помощь с реквизитом оказал Военно-технический музей в Черноголовке.

Фильму предполагалась государственная помощь со стороны Казахстана в размере 1 млн долларов. Однако в январе 2015 года министр культуры и спорта Казахстана Арыстанбек Мухамедиулы заявил, что сценарий не устраивает министерство и никакого сотрудничества не будет до доработки сценария по указаниям министерства (по сообщениям в СМИ Казахстана, одним из требований было включение в фильм диалогов на казахском языке). Впоследствии деньги от Казахстана всё же поступили в размере 80 миллионов тенге (около 287 тысяч долларов), при этом в сценарий были внесены небольшие изменения. В начало фильма была вынесена цитата участника Битвы за Москву, казахского писателя Бауыржан Момышулы, а в финальных титрах показывается памятник панфиловцам в Алматы. Уменьшение суммы против изначально заявленной министр культуры объяснил экономическими трудностями последнего времени. С другой стороны, он сообщил о технической помощи проекту и помощи в организации массовок.

Во время премьеры фильм вышел в двух версиях (на русском и казахском языках).

Премьера фильма состоялась в день 75-й годовщины боя у разъезда Дубосеково, 16 ноября в городе Волоколамск, где разворачивались показанные в фильме события.