В 1944 году уже было понятно, что конец войны не за горами. Правительство СССР дало киностудиям указ снять «весёлый, радостный фильм о наших доблестных воинах», и за съёмки взялась студия «Ленфильм», которая к тому времени уже вернулась из эвакуации. Режиссёром и сценаристом стал Семён Тимошенко.
Музыку к фильму написал композитор Василий Соловьёв-Седой.
На роли Булочкина и Тучи без проб были утверждены уже популярные Николай Крючков — на тот момент он уже получил Заслуженного артиста и Сталинскую премию
и Василий Меркурьев.
А вот исполнителя роли Кайсарова режиссёр нашел среди преподавательского состава театрального училища — Василий Нещипленко преподавал биомеханику. В кино он снимался мало и только в эпизодических ролях.
Основные женские роли сыграли:
Алла Парфеньяк ( корреспондент Маша Петрова), на момент съёмок - студентка театрального института.
Людмила Глазова (старший лейтенант Катя Кутузова).
Тамара Алёшина (старший лейтенант Светлова).
Небольшую роль военного врача в «Небесном тихоходе» сыграла Фаина Раневская.