Прототипом Мухтара стал героический пёс по кличке Султан, за десять лет милицейской службы поучаствовавший в пяти тысячах операций, задержавший более тысячи преступников и нашедший похищенного имущества на общую сумму в три миллиона рублей. После смерти Султана его тело превратили в чучело и с подробным описанием заслуг выставили в Музее ленинградского уголовного розыска, который в 1959 году посетил известный советский писатель Израиль Меттер, работавший тогда над сценарием к фильму «Это случилось в милиции».
Хозяйка оставила Мухтара в вагоне поезда. Младший лейтенант милиции Гла́зычев, вызванный на станцию, освобождает пса из вагона, доставляя «задержанного» в питомник УВД. Хозяйку нашли, но она отказывается от пса и продаёт его милиции за 100 рублей. Мухтар закреплён за младшим лейтенантом Глазычевым, который начинает «преобразовывать» домашнего пса в служебного. Постепенно Мухтар привыкает к своему проводнику Глазычеву и хоть с проблемами, но оканчивает обучение.
Юрий Никулин — младший лейтенант Николай Глазычев
Владимир Емельянов — майор Сергей Прокофьевич, начальник питомника
Леонид Кмит — Степан Павлович Дуговец
Юрий Белов — Ларионов
Алла Ларионова — Маша Колесова, бывшая хозяйка Мухтара
Фёдор Никитин — ветеринарный врач Трофим Игнатьевич Зырянов
Николай Крючков — комиссар милиции
Сергей Голованов — адмирал Сергей Колесов
Лев Дуров — рецидивист «Рыба»
Иван Рыжов — капитан милиции Рыжов
Ия Маркс — бабка Феди
Екатерина Савинова — Верочка
Тамара Логинова — жена Глазычева
Леонид Пархоменко — Фролов, бандит
Юрий Медведев — дворник Федя
Владимир Гуляев — капитан милиции
Вадим Захарченко — следователь
Лидия Савченко — Галинка
Валентин Брылеев — оперативник
Тамара Яренко — врач
Автор сценария — Израиль Меттер
Режиссёр — Семён Туманов
Оператор — Александр Харитонов
Художник — Георгий Колганов
Композитор — Владимир Рубин
Дирижёр — Газис Дугашев
Дрессировщики — Михаил Длигач, Владимир Круковер
Консультант — Сергей Подушкин
Звукооператор — Игорь Майоров
Помощник звукооператора — Олег Шкловский
Художник по костюмам — Людмила Мочалина
Грим — Л. Назарова
Монтаж — Валентина Кулагина
Редактор — Л. Цицина
Директор картины — Макс Гершенгорин