Натурные съемки фильма начались в середине января 1975 года и проходили в нескольких местах: в Ташкенте и на одной из железнодорожных станций, в Калининградской области. Начались съемки со сцены в вагоне поезда, в котором Лопатин едет в Ташкент. Там происходит его разговор с летчиком, первая встреча с Ниной. Работа проходила в тяжелых условиях. Лютовала зима, а Герман решил снимать эти эпизоды в настоящем поезде. Во время съемок актеры жутко мерзли и никак не могли сосредоточиться на работе.
Вспоминает Ю. Никулин: «Ну что за блажь?! — думал я о режиссере. — Зачем снимать эти сцены в вагоне, в холоде, в страшной тесноте? Когда стоит камера, нельзя пройти по коридору. Негде поставить осветительные приборы. Нормальные режиссеры снимают подобные сцены в павильоне. Есть специальные разборные вагоны. Там можно хорошо осветить лицо, писать звук синхронно, никакие шумы не мешают. А здесь шум, лязг, поезд качает. Иногда, гак как наш эшелон шел вне графика, его останавливали посреди степи, и мы по нескольку часов ожидали разрешения ехать дальше. День и ночь нас таскали между Ташкентом и Джамбулом.
Спустя год я понял, что обижался на Алексея Германа зря. Увидев на экране эпизоды в поезде с естественными тенями, бликами, с настоящим паром изо рта, с подлинным качанием вагона, я понял, что именно эта атмосфера помогла и нам, актерам, играть достоверно и правдиво…
Ни о чем, кроме фильма, с Германом говорить было нельзя. Он не читал книг, не смотрел телевизор, наспех обедал, ходил в джинсовых брюках, черном свитере, иногда появлялся небритый, смотрел на всех своими черными умными и добрыми глазами (доброта была только в глазах) и упорно требовал выполнения своих распоряжений. Спал он мало. Позже всех ложился и раньше всех вставал. Актеров доводил до отчаяния.
— Юрий Владимирович, — говорила мне с посиневшими от холода губами Гурченко, пока мы сидели и ожидали установки очередного кадра, — ну что Герман от меня хочет? Я делаю все правильно. А он психует, нервничает и всем недоволен. Я не могу так сниматься. В тридцати картинах снялась, но такого еще не было. Хоть вы скажите что-нибудь ему.
А я пытался обратить все в шутку. Не хотелось мне ссориться с Алексеем Германом, хотя внутренне я поддерживал Гурченко и считал, что так долго продолжаться не может. А Герман все требовал, требовал и требовал. Я же безропотно подчинялся и подчинялся. И, признаюсь, часто себя ругал — зачем согласился сниматься?..»
Где-то к середине 1975 года фильм был полностью завершен и смонтирован. Однако его путь к зрителю оказался тернист. На первом же просмотре в Госкино разразилась настоящая буря. К тому времени режиссеры, снимавшие фильмы о войне, уже хорошо сориентировались в ситуации и снимали сплошь «лакировочное кино». Оно снималось на цветной пленке, в красивых интерьерах, с красивыми актерами. Короче, сказка на военную тему. У Германа все было иначе. Он и сам позднее не скрывал, что снимал свой фильм вопреки сложившимся стереотипам о военном кино. Режиссер вспоминает: «Когда пошел этот косяк слюнявых картин по поводу военного тыла, я все это пересмотрел, взбесился и был рад снимать со своими товарищами «Двадцать дней без войны». Потому что эта картина — антипоточная. Больше в ней ничего нет. Она антилюбовная мелодрама, в ней антикрасивые герои, они за антилживый показ войны в жизни людей, она вся «анти», а больше в ней ничего нет…»
Руководители Госкино прекрасно это поняли. Председатель Госкино Ф. Т. Ермаш на том пресловутом обсуждении так и сказал: «Ну что же, надо поздравить «Ленфильм» с картиной о людях, проигравших Великую Отечественную войну». Другой чиновник от кино, затребовавший фильм к себе на дачу, после просмотра выдал целую кучу замечаний: изменить облик города Ташкента, изменить сексуальные мотивы (в фильме был невинный эпизод, где Лопатин и Нина лежали в постели), убрать монологи Петренко и т. д. Когда про эти замечания узнал Симонов, он позвонил Герману и заявил: «Пошли их всех в задницу! Я разрешаю…»
И все же фильм в течение года лежал на полке. Он вышел на экран в 1976 году, но его прокат был резко ограничен. На родине фильм не получил ни одного приза, зато во Франции его отметили премией имени Ж. Садуля (1977). Единственным печатным органом, который похвалил картину, стала «Комсомольская правда» — корреспондент Ольга Кучкина.
Стоит отметить, что к моменту выхода картины на экран заметно осложнились отношения Германа с Симоновым. Режиссер вспоминает: