В основу сценария легли две реальных истории. Одна из них произошла в жизни композитора Микаэла Таривердиева. Он ехал со своей возлюбленной и уступил ей водительское кресло. Поездка закончилась ДТП с трагичным исходом — погиб пешеход. Композитор взял вину на себя, был осуждён на два года, но амнистирован еще до перевода в тюрьму. О происшествии знал только узкий круг знакомых и друзей, но всех история просто потрясла. Эмиль Брагинский решил положить её в основу сценария, додумав развитие событий — невиновный герой все-таки отправился за решётку… Когда Микаэл Таривердиев пришел на премьеру, то был в ужасе — он решил, что всем теперь известно, что фильм про него. Его долго убеждали, что никто ничего не знает и никто даже не интересовался, откуда взялся сюжет.

Второй случай произошёл с поэтом Ярославом Смеляковым, который отбывал срок в лагере. После смерти Сталина политзаключенные ждали амнистии и отношение к ним было более мягким, чем к сидящим по другим статьям. Поэтому Смелякова под расписку отпустили из лагеря в гости к находящимся неподалёку на поселении сценаристам Валерию Фриду и Юлию Дунскому, и все трое после застолья проспали будильник. Чтобы Смеляков не опоздал к утренней поверке и не был наказан, Фрид с Дунским тащили уставшего к концу пути друга на себе.
Роль провинциального города Заступинска «сыграли» обе столицы. Улицы снимали на окраинах Ленинграда, вокзальные и привокзальные сцены сняли в Москве и на ленинградском Витебском вокзале. Ресторанные эпизоды снимали на самом малолюдном Рижском вокзале, все сцены с железнодороными путями и платформами — на станции «Лосиноостровская». Режиссёр Эльдар Рязанов здесь уже работал — снимал эпизоды для фильма «Служебный роман».
В свое время Эльдар Рязанов дал Олегу Басилашвили расписку, что будет снимать его в каждом своем фильме. И хотя она была больше шуточной — режиссёр любил работать с актёром и по возможности давал роли. Сценарий «Вокзала для двоих» писался сразу «под Басилашвили». Со своей партнёршей по фильму, Людмилой Гурченко, они познакомились за два часа до начала съёмок. И в первый же съёмочный день предстояло снимать поцелуй их героев! Басилашвили уговаривал Рязанова переписать сцену, чтобы не пришлось целовать эту незнакомую женщину, даже угрожал отказом от съёмок… На помощь пришла Людмила Марковна, она так переделала диалог, что поцелуй отложили на другую сцену. К концу съёмок Басилашвили и Гурченко были уже близкими друзьями.

Фильм начали снимать с конца — в первый съёмочный день снимали финал, так как зима уже кончалась и надо было успеть заснять сцены в колонии. Стояла хмурая погода и режиссёр и сценарист считали, что это очень кстати — она подчеркнет переживания из-за опаздывания на поверку и вообще всю тяжесть ситуации, в которую попал главный герой. Но когда группа выехала на съёмки, неожиданно распогодилось и вышло солнце. Настроение сцены сразу получилось совсем другим! Актёры бежали по снежной дороге, а перед ними на санях ехал оператор с камерой. Сани надо было везти очень быстро, поэтому в них впрягалась вся съёмочная группа, включая Эльдара Рязанова. Падали на скользкой и неровной трассе актёры по-настоящему, и после этой сцены Гурченко долго лечила разбитые колени.

Олег Басилашвили месяц фактически прожил в колонии для несовершеннолетних в Икше, где снимали тюремные сцены. Заключённые долгое время переодетого в зека актёра не любили, постоянно старались как-то задеть и даже ударить, ждали от его присутствия неприятностей. Басилашвили пытался наладить отношения, потихоньку делился «пайкой» с арестантами из массовки, и вскоре враждебность прошла. У актёра даже появился консультант из числа заключённых — учил, как выглядят и ведут себя люди на зоне, но взамен попросил увековечить его в фильме. Басилашвили выполнил просьбу, и в сцене, когда героиня Людмилы Гурченко пытается разбудить Платона, он сквозь сон говорит: «Онофренков, кончай!». Это была фамилия его «наставника».

«Вокзал для двоих» участвовал в основном конкурсе Каннского кинофестиваля. Показ проходил во время разворачивающегося шпионского скандала между Францией и СССР, поэтому надежды на призы не было. Зато на родине фильм стал лучшим фильмом 1983 года по опросу журнала «Советский экран», режиссёр получил Государственную премию СССР, а Людмила Гурченко — звание Народной артистки СССР.