Мужская половина выглядела следующим образом. На роль Сундукова был утвержден ленинградский актер Геннадий Нилов (отец нынешнего «мента» Алексея Нилова), у которого это была первая главная роль в кино, на дипломата — Евгений Жариков (вторая главная роль после «Иванова детства», 1962), на Рому Любешкина — Андрей Миронов (вторая главная роль после «Моего младшего брата», 1962).

Вспоминает Г. Нилов: «На роль хмурого физика Сундукова пробовались несколько человек. Я был в паре с Татьяной Конюховой, которая хотела играть Зою. Мне сказали „спасибо“ и отправили обратно в Ленинград. Долго не было вестей. Я уже решил, что сыграть не суждено, и вдруг получаю телеграмму: „Поздравляю. Не бриться. Остаться дикарем. Оганесян“. Телеграмма до сих пор у меня хранится…»

На роли девушек пробовались многие известные актрисы и даже манекенщицы, но режиссер остановил свой выбор на двух Натальях: нашей героине и Фатеевой. Обе снимались в кино с конца 50-х и имели за плечами куда больше ролей, чем их коллеги из мужской половины. Так, у Фатеевой были роли в фильмах: «Есть такой парень», «Капитан „Старой черепахи“», «Дело „пестрых“», «Случай на шахте № 8», «Убить человека», «Битва в пути». Правда, против кандидатуры Фатеевой выступал сам автор пьесы, считавший, что она недостаточно спортивна (по сюжету, Зоя была циркачка) и перед камерой держится «как пионервожатая» (то есть заторможенно). Но студийное начальство хорошо относилось к Фатеевой и утвердило ее на роль.

В роли Наташи первоначально должна была сниматься популярная актриса Лилиана Алешникова (стала известна после роли Глаши в картине 1956-го года «Они были первыми»), но в итоге ей перебежала дорогу Кустинская. Последняя вспоминает:

«Бытует мнение, что женам режиссеров в профессии легче. В моем случае такого не было. И в „Три плюс два“ я снялась лишь по большой случайности. На пробы в Ригу меня пригласил знакомый оператор. Когда я приехала, увидела там известных актрис, манекенщиц, балерин. Отснялась и уехала в Ленинград, где играла главную роль в фильме „После свадьбы“. Месяц проходит — никаких известий. Я уже и забыла о пробах, когда случайно зашла в дирекцию киностудии. Оказалось, там уже давно лежала для меня телеграмма. В тот же день вылетела в Крым на съемки…»

Из-за проволочек с цветной пленкой, актерских проб и плохой погоды в Риге подготовительный период был продлен на две недели. Наконец 11 августа съемочная группа выехала в Крым, в Судак. Там, на территории завода шампанских вин возле Нового Света, была размещена съемочная площадка будущего фильма. Место было просто райское: теплое чистое море, восхитительная прибрежная полоса. Правда, асфальтовая дорога была ужасная, да и бытовые удобства были минимальные: воду приходилось греть на электроплитках, мыться в тазиках. Жила группа во дворце князя Голицына, прямо над подвалами завода шампанских вин. Мужчины были в восторге, поскольку литровая кружка шипучего напитка стоила 45 копеек. Чтобы перелить шампанское из бочки, его надо было отсасывать, как бензин. Поэтому актеры соблюдали очередность, чтобы окончательно не спиться.

Съемки начались 16 августа с эпизодов с участием трех дикарей-мужчин. Женщин пока не снимали, поскольку там был недокомплект — Кустинская все еще снималась в Ленинграде. К тому же задержалось прибытие и двух автомобилей — «Волги» и «Запорожца», игравших в фильме не последнюю роль. 18 августа случился первый простой — оказалась не готова декорация «лагерь». 27–28 августа съемки не велись из-за поднявшегося сильного ветра.

Ближе к концу августа в Новый Свет приехала Кустинская, и съемки пошли в полную силу. Начали снимать знакомство мужчин-дикарей с девушками. Помните, дамы заставили мужчин копать землю в поисках бутылки из-под шампанского (кстати, это была бутылка, накануне распитая группой), где содержалось письмо, в котором указывалось, что место на берегу навечно закреплено за подругами-красавицами? Затем снимали морские сцены. К слову, в студийном реквизите так и не удалось отыскать пары достойных купальников для актрис, и художница по костюмам искала их среди… отдыхающих. В итоге один такой удалось найти. Другой одолжила жена Оганесяна, за что ей было уплачено 17 рублей «за амортизацию». К концу съемок выяснится, что костюм стал негоден и его придется выбросить.

Практически весь сентябрь съемки шли без простоев (только 27 и 29 августа съемки пришлось отменить из-за облачности). Актеры снимались легко и непринужденно, хотя было трудно: фильм снимался в двух вариантах (для широкого экрана и обычный формат), поэтому одну и ту же сцену приходилось играть дважды. Но все это компенсировалось замечательной обстановкой, сложившейся на съемочной площадке. Кое-кто даже пытался перенести эти отношения в реальную жизнь. Например, Евгений Жариков предпринял попытку ухаживаний за своей киношной половиной — Натальей Кустинской. Но та его «отбрила». Кроме того, супруга актера — тренер по фигурному катанию — была поблизости, приехав на пару недель к мужу на побывку. Жена страшно ревновала Жарикова к Кустинской и в перерывах между съемками устраивала бурные сцены — например, швыряла в «соперницу» бутерброды. Все это отрицательно сказывалось на съемках, и режиссер, в конце концов, должен был объявить жесткие санкции — жену Жарикова на съемочную площадку больше не пускали.

Совсем иначе вела себя жена Геннадия Нилова Галина, которая приехала к мужу, чтобы провести с ним медовый месяц (они только поженились). Она готовила актерам нехитрую еду и была, что называется, тише воды ниже травы. Впрочем, может, потому, что ее муж никаких поводов для ревности не давал.

Заметим, что Кустинская «отбрила» и автора сценария — именитого поэта Сергея Михалкова. Тот приехал на съемки всего на четыре дня и сразу заявился в номер к Кустинской в надежде, что она не откажет ему в его ухаживаниях. Но актриса оказалась неприступной. В итоге Михалков ушел из ее номера ни с чем, не забыв бросить на ходу фразу: «Если передумаешь — позови». Актриса не передумала.

Съемки в Новом Свете продолжались три месяца — до 19 ноября. Затем там резко похолодало, и пришлось срочно менять дислокацию — переезжать в Алушту. Там в течение двух недель снимали последние натурные кадры фильма. 2 декабря группа вернулась в Москву. В течение двух недель шел монтаж отснятого материала, после чего он был показан руководству двух киностудий: имени Горького и Рижской. Снятое понравилось и тем, и другим.

Между тем надо было снимать павильоны, а Рижская киностудия никак не могла построить нужные декорации: «палатку» и «салон автомобиля „Волга“». Чтобы не простаивать, группа с 19 декабря начала снимать в Москве мелкие объекты: Лужники, парикмахерскую, колхоз (это там герой Миронова лечит коров).

В начале января 1963 года группа выехала в Ригу для съемок в павильонах. Они начались 14 января. Спустя две недели группа выехала в Ленинград, чтобы в тамошнем цирке снять несколько эпизодов: Зоя на арене с тиграми; «дикари» в цирке.

Вспоминает Н. Фатеева: «Я снималась с настоящим тигром, которого дрессировал Вальтер Запашный. Мне сказали, что тигру шесть месяцев. Смотрю, а это зрелый, довольно большой зверь. У меня — шок. Самое обидное, что вся моя храбрость — как я облокотилась на тигра, как я его гладила и даже приударяла кулаком — не вошла в фильм. Эти кадры забраковали, так как в них попала рука Запашного, который держал тигра за ошейник…»