Сценарий фильма основан на балладе Василия Жуковского "Сказка о царе Берендее, о сыне его Иване-царевиче, о хитростях Кощея бессмертного и о премудрости Марьи-царевны, Кощеевой дочери" (6+). В свою очередь, её источником послужила народная сказка "Морской царь и Василиса Премудрая" (6+). Авторами сценария стали Михаил Чуприн и режиссёр Александр Роу. Для Чуприна это была единственная работа в кинематографе, в то время как для Роу "Варвара-краса, длинная коса" (6+) оказалась предпоследним фильмом в его карьере.
Режиссёр предпочитал работать с актёрами, уже знакомыми ему по предыдущим проектам, и практически все исполнители ролей уже снимались у него ранее. Исключением стала Татьяна Клюева, сыгравшая главную роль Варвары. Хотя их встреча произошла задолго до съёмок, Клюева пришла на пробы к Роу для его предыдущей сказки "Огонь, вода и… медные трубы" (6+). Тогда режиссёр счёл её слишком молодой, несмотря на её актёрский опыт и главную роль в фильме "Акваланги на дне" (12+). Он утвердил другую актрису, Наталью Седых, пообещав при этом Клюевой, что в следующий раз она сможет появиться в его проекте. Это обещание было выполнено, и Татьяна действительно была приглашена на пробы через год.
Перед началом съёмок Роу строго предупредил восемнадцатилетнюю актрису о необходимости соблюдать строгую дисциплину: никаких романов, шумных гулянок и, конечно, лишнего веса! Он даже запирал её в гостиничном номере в девять вечера, чтобы предотвратить возможные "покушения" на её строгое расписание. Когда выяснилось, что платья, подготовленные для Варвары, оказались малы, режиссёр отказал Клюевой в суточных, чтобы она не тратила деньги на угощения. Тот же "приём" применили и к Георгию Милляру, исполнителю роли "подводного царя", который также остался без дополнительных средств на спиртное. Это обстоятельство сплотило актёров: после получения зарплаты Милляр и Клюева тайком отправлялись в соседнюю деревню, где им выдавали рубль на двоих для покупки "вкусностей": Милляр выбирал вино, а Клюева — конфеты.
Роль Варвары принесла Татьяне Клюевой всесоюзную популярность, однако осталась её самая яркая работа в кино. Актриса окончила ГИТИС и сыграла ряд второстепенных ролей, после чего вышла замуж за моряка и уехала с ним в Севастополь. В этом городе она заведовала клубом в таксопарке, работала в брачном агентстве, а в 90-е торговала одеждой и обувью на рынке. Она рассказала, что однажды к ней подошла женщина и с ироничной усмешкой произнесла: "Ну что, Варварушка, докатилась?" Эта фраза одновременно обрадовала её, так как напомнила о прежней популярности, и расстроила злорадством.
На съёмках сказки Татьяна подружилась с Сергеем Николаевым, который исполнил роль царского сына Андрея. Режиссёр ранее заметил его в пионерском лагере киностудии им. Горького и пригласил сыграть харизматичного героя. Для Николаева это была вторая работа в кино, но она оказалась самой запоминающейся. Сергей окончил экономический факультет ВГИКа и на протяжении 20 лет возглавлял актёрский отдел той же киностудии, сыграв множество ролей второго плана. К сожалению, он ушёл из жизни в 2016 году.
Алексей Катышев, сыгравший рыбацкого сына Андрея, тоже уже снимался в предыдущем фильме Роу. Режиссёр заметил этого пятнадцатилетнего юношу на курсах звукорежиссёров в Ялте, когда работал над "Морозко" (6+). Роу искал типаж русского доброго молодца и через четыре года без дополнительных проб утвердил Катышева на роль в "Огонь, вода и… медные трубы", а после завершения этой работы предложил ему сняться в "Варваре-красе, длинной косе". На тот момент Алексей был призван в армию, но режиссёр добился перевода его с Дальнего Востока в Ленинград, чтобы он смог участвовать в съёмках.
Администратором на площадке фильма работал 20-летний Борис Грачевский, который проходил практику во ВГИКе. Он вспоминал, как выполнял различные задачи, такие как ловля голубей или поиск сухого льда. В конце съёмок ему доверили сыграть руку, появляющуюся из воды и угрожающую царю. Грачевский стал самым молодым членом съёмочной группы, поэтому именно ему поручили эту роль, которая затем долго пугала детей на экране.
Такую песню смогут допеть только те, кому сейчас за 50 лет — мелодия через века
