Мухтар попал на службу в милицию случайно. Его легкомысленная хозяйка оставила собаку в вагоне поезда на одной из станций. Несомненно, Мухтар стал бы бродячим псом, но неожиданная встреча с лейтенантом милиции Глазычевым изменила его жизнь...

• Задолго до начала съёмок было ясно, что роль Мухтара не сможет исполнить одна собака: действие в сценарии происходит в течение семи-восьми лет, сперва Мухтар — молодой полуторагодовалый пёс, а к концу фильма ему уже около десяти лет. К тому же, животные обычно очень тяжело переносят процесс съёмок, и в любом случае необходимы были запасные собаки, способные в случае форс-мажорных обстоятельств друг друга подменять. Двух взрослых служебно-розыскных псов по кличке Урал и Байкал на всё время работы предоставило Министерство внутренних дел СССР, а третьего, самого молодого, за четыре месяца до начала съёмок «Мосфильм» приобрёл по объявлению. Собаку поселили на киностудии, кормили трижды в день и приучали к новой кличке «Мухтар» — пёс оказался излишне озорным и малопослушным, поэтому в итоге его использовали только лишь в тех эпизодах, где явно требовалось подчеркнуть молодость животного.
• Несколько раз Юрий Никулин выезжал с милицией на операции, познакомился со многими проводниками розыскных собак. В качестве консультанта фильма пригласили Героя советского союза капитана милиции Сергея Семеновича Подушкина, который занимался с Никулиным так, как будто ему действительно предстояло стать работником правоохранительных органов. Актер вставал рано утром, надевал милицейскую форму, полушубок и отправлялся в питомник — там специально для него из клеток выпускали двух собак. Чтобы они привыкли к Никулину, он сам их выгуливал и кормил. После этого актер уезжал в цирк (шли школьные зимние каникулы) и, отработав три спектакля, снова возвращался в питомник. Подготовка продолжалась более двух недель.
• Съёмки начались зимой 1964 года, поэтому сначала решили снимать финальные эпизоды сценария, для которых требовалась снежная погода. Местом действия был выбран подмосковный город Кашира, в первый день должна была сниматься сцена, где Мухтар со своим проводником Глазычевым идёт по следу рецидивиста, убившего колхозного сторожа, а следы бандита постоянно заметает сильная метель. Однако с этой сценой возникли серьёзные трудности, проблема заключалась в установленном на поле огромном ветродуе, мощном моторе с самолётным пропеллером, используемым для создания необходимой силы ветра, — он был слишком шумным, и собаки при его включении в ужасе разбегались. Директор фильма предложил отказаться от метели — киногруппа простаивала в течение пяти дней, и за каждый день простоя впустую уходили три тысячи рублей, но режиссёр категорически отверг это предложение. Кто-то вспомнил письмо из Киева от инженера-сантехника Михаила Длигача, который некогда прочёл «Мухтара» и прислал на «Мосфильм» свой вариант сценария для экранизации этого произведения. В письме Длигач упомянул, что является страстным собаководом-любителем, и у него есть умнейший пёс по кличке Дейк, который легко смог бы исполнить главную роль. Сценарий оказался неумелым, поэтому тогда ему никто не ответил, но, оказавшись в затруднительном положении, Семён Туманов решил вызвать этого человека из Киева и привлечь к работе над фильмом. Дейк не боялся ветродуя, неукоснительно выполнял любые команды хозяина и в плане актёрского мастерства оказался самым талантливым из всей четвёрки собак, поэтому впоследствии использовался во всех технически сложных эпизодах.
• Дейк умер через три года после окончания съёмок, оставив после себя сына, тоже Дейка. Михаил Длигач выдрессировал этого пса не хуже предыдущего и мечтал о создании продолжения фильма, однако второй части так и не суждено было появиться. Позже собаковод эмигрировал в США, где провёл остаток жизни.
• Обращает внимание значительное совпадение сюжетов фильма «Ко мне, Мухтар!» и американского «К-9» (1989), вплоть до того, что можно говорить о плагиате (возможно, невольном). Так, например, в обоих фильмах присутствует сцена, когда собакаревнует главного героя к его женщине, эпизоды ранения и разговоров главного героя со своим псом, так как если бы он был человеком, который всё понимает.