Довольно быстро Штирлиц выясняет, что переговоры действительно идут в Швейцарии, а их инициатор – глава СС Генрих Гиммлер. Сам он получает задание от своего шефа Шелленберга на их обеспечение. Сведения об этом разведчик передает через антинацистски настроенных пастора Шлага и профессора Плейшнера. Обоих посылает в Швейцарию. Пастор выполняет поручение, а Плейшнер совершает самоубийство.
Для того чтобы воспрепятствовать переговорам, Штирлиц идет на контакт с рейхсляйтером Мартином Борманом, сообщив тому о «предательском заговоре против фюрера». А тем временем начальник гестапо Мюллер узнает, что Штирлиц, скорее всего советский резидент, тайно встречающийся с Борманом. Начинается захватывающая психологическая дуэль Мюллер – Штирлиц, возможно, самые захватывающе кадры многосерийного фильма. Параллельно со всеми перипетиями Штирлиц решает еще одну сверхзадачу: спасение радистки Кэт.
По распоряжению Бормана обергруппенфюрера Вольфа, представляющего Гиммлера на переговорах со спецслужбами США, отзывают в Берлин. От ареста Вольфа спасает Шелленберг: он заранее заготовил версию, что переговоры затеяны СД, чтобы поссорить Сталина с союзниками.
Отправив радистку Кэт на родину, Штирлиц получает от Шлага ценные сведения о контактах Вольфа с американцами, восстанавливает связь с Центром, узнает о том, что он представлен к присвоению звания Героя Советского Союза. А еще узнает о том, что Плейшнер его не предал. Взвесив все «за» и «против», Штирлиц возвращается в Берлин, чтобы продолжить свою полную опасностей работу.
Музыку к фильму написал композитор Микаэл Таривердиев, слова песен – поэт Роберт Рождественским. Вначале было 12 таких песен – по одной на каждую серию. Но режиссер оставил только две – «Мгновения» и «Песню о далекой Родине». Лиознова впоследствии это отрицала, однако то, что долго искала исполнителей, подтверждала. Пробные записи делали Ободзинский, Мулерман, Никитский, Барашков, Толкунова, Магомаев. Иосифу Кобзону предложили спеть так, чтобы его голоса не узнали. Тот обиделся, но спел. В первоначальных титрах исполнителя песен не указали, поскольку титры готовились заранее, до того, как Кобзона утвердили.
Еще в фильме звучат следующие музыкальные темы: «На Цветочной улице»; «Где-то далеко»; «Эхо войны»; «В черно-белом ритме»; «Мгновения»; «Прелюдия для Кэт»; «Вокзал прощания»; «Дороги»; «Ночной патруль»; «Весеннее утро»; «Двое в кафе»; «Сумерки в Берлине»; «Встреча с женой»; «Вальс для Габи и Штирлица». Кроме музыки Таривердиева использованы произведения еще 30 композиторов, большей частью зарубежных. Таким образом, и в музыкальном оформлении «Семнадцать мгновений весны» побили все отечественные рекорды.
