На роль студентки-комсомолки Ніни у фільмі претендували без малого близько п’яти сотень актрис, серед яких були такі зірки радянського кіно, як Наталя Фатєєва, сестри Вертинський, Наталя Кустинська, Валентина Малявіна, Віка Федорова та ін Однак Гайдай після довгих роздумів вирішив зупинитися на нікому тоді не відомої циркової артистки, 19-річній Наталії Варлей. І, як виявилося, не помилився.
Наталія Варлей згадує про своїх кінопробах: «Прийшла на «Мосфільм». Мені Дали почитати шматочок з сценарію. Потім зняли невеликий епізод з осликом. І раптом Гайдай несміливо питає мене: «Наташа, а чи можете ви роздягтися до купальника?». Я відповіла: «Звичайно». І роздяглася. Всі так і охнули. Це зараз актори вільно оголюються, а тоді і кінематограф, і вся країна були більш поміркованими. Але в мене-то купальник був повсякденному цирковий формою одягу, тому і думок ніяких не виникло. Словом, зняли і цей епізод. Мабуть, він і вирішив вибір».
Потім настали зйомки: «досі я пам’ятаю кожен знімальний день. Багато було і смішних, і казусних, і драматичних ситуацій. Наприклад, я ледь не розчавила знамениту трійцю. Пам’ятаєте, коли вони стояли на дорозі з Віциним посередині? Я мчу на червоній машині, а у неї раптом відмовляють гальма. Слава Богу, реакція у наших прекрасних коміків виявилася відмінною. Назавжди залишився в пам’яті перший досвід артистичного перевтілення. До цього я фактично грала саму себе. Образ же Ніни в «Кавказькій полонянці» зовсім не схожий на мене в житті: я ніколи не була впевненою в собі, пустотливий, оптимістичною, швидше за тихою, замріяною, романтичною. Так що Гайдай з мене прямо на зйомках ліпив «комсомолку, спортсменку і просто красуню». І ще одне, далеко не комедійне спогад пов’язаний не зі зйомками, а вже з переглядом фільму. Ми представляли його комісії і дивилися більше, звичайно, не на екран, а на її членів. У них були кам’яні обличчя! У нас виникло відчуття повного провалу. Але потім був інший перегляд у Будинку кіно. Там глядачі реготали з першого і до останнього кадру. Чесно кажучи, реакція комісії мені так до цього дня й незрозуміла, але помнился той жах, який вона викликала в душі».
