مراحل تحقیق و پژوهش این سریال تاریخی از اواخر سال 1389 زیر نظر موسی حقانی به‌عنوان مشاور پژوهشی و تاریخی آغاز شد. سریال از دی‌ماه 1391 مقابل دوربین فرشاد خالقی رفته و تصویربرداری آن همچنان ادامه دارد. کاخ سعد آباد، کاخ نیاوران، دکورهای اختصاصی ساخته‌شده در شهرک غزالی، کاخ‌موزه گلستان، موزه عبرت، بناهای تاریخی شهر تهران و... برخی از لوکیشن‌های این سریال است.
معمای شاه با همراهی بیش از 560 نفر از عوامل سینما، تئا‌تر و تلویزیون در مسئولیت‌های پشت‌صحنه تولیدشده و 160 بازیگر اصلی در کنار 254 بازیگر نقش فرعی که تاکنون در آن حضور داشته‌اند؛ آماده می‌شود.
وقایع و رویدادهای این سریال در فاصله سال‌های 1317 تا 1357 رخ می‌دهد. سریال با ازدواج محمدرضا پهلوی و فوزیه و بازگشت آنها به ایران آغاز و با مرگ محمدرضا در قاهره به پایان می‌رسد. در حدفاصل این مقطع زمانی چهل‌ساله، رویدادهای مهم اجتماعی، فرهنگی و سیاسی جامعه ایران نیز به تصویر کشیده می‌شود.
رضا پهلوی؛ که با القاب رضاخان، میرپنج، سردارسپه و پس از آن رضاشاه، معروف است. در واپسین روزهای سلطنت قاجار بر ایران؛ حکومت را به دست گرفت. او در سال 1304 حکومت پهلوی را بنیان گذاشت و تا سال 1320 به عنوان شاه ایران سلطنت کرد. رضا شاه در سال 1323 در ژوهانسبورگ (آفریقای جنوبی) زندگی را بدرود گفت. از خصایص رضاخان که جعفر دهقان در «معمای شاه» نقشش را ایفا می‌کند، سختگیری و جذبه‌ای‌ست که حتی فرزندانش را از نزدیک شدن به او باز می‌دارد.
محمدرضا شاه پهلوی؛ دومین پادشاه دودمان پهلوی و آخرین پادشاه ایران بود. او از 25 شهریور 1320 تا 22 بهمن 1357 بر ایران حکومت کرد. محمدرضاشاه اولین بار در پی اشغال ایران در جنگ جهانی دوم و دومین بار با کودتای 28 مرداد به قدرت رسید و با انقلاب 1357 از حکومت برکنار شد و در مرداد 1359 در قاهره در گذشت. در این سریالن حسین نورعلی؛ نقش جوانی و میانسالی محمدرضا شاه را بازی می‌کند و امیرمهدی کیا در نقش پیری او ایفای نقش می‌کند.
نیم تاج خانم تاج‌الملوک آیرُملو معروف به «ملکه مادر»، دومین همسر رضاشاه از چهار همسر او بود. تاج‌الملوک پس از به سلطنت رسیدن رضاشاه پهلوی، به علت اینکه مادر ولیعهد محسوب می‌شد از اعتبار و نفوذ ویژه‌ای برخوردار شد که آن را در دوران سلطنت پسرش نیز حفظ کرد. گیتی ساعت‌چی در این سریال ایفاگر نقش مادر شاه ایران است.
اشرف پهلوی، خواهر دوقلوی محمدرضاشاه پهلوی، یکی از چهرههای تأثیرگذار دربار پهلوی بود. از عمده‌ترین اقدامات اشرف سلسله فعالیت‌های اجتماعی بود، که در قالب آن به امور سیاسی و کسب درآمد می‌پرداخت.
فوزیه؛ خواهر ملک فاروق پادشاه مصر و نخستین همسر محمدرضا پهلوی بود. او سال 1317 در قاهره به عقد ولیعهد درآمد این زندگی دوامی کمتر از یک دهه داشت و حاصل آن دختری به نام شهناز بود.
ثریا اسفندیاری بختیاری؛ ملقب به پرنسس چشم زمردین، دومین همسر محمدرضا پهلوی بود زندگی او با شاه دوامی هفت ساله داشت. شاه عاشق ثریا بود و اگر ثریا می‌توانست برای او جانشینی بیاورد، آنان هیچ‌گاه از هم جدا نمی‌شدند.
فرح دیبا؛ سومین همسر محمدرضا شاه پهلوی و شهبانوی ایران از 29 آذر 1338 تا 26 دی 1357 بود او تا آاخرین روزهای زندگی محمرضا شاه کنار او ماند و پس از آن در فرانسه و امریکا زندگی کرد.
محمد مصدق؛ رهبر نهضت ملی شدن صنعت نفت ایران شناخته می‌شود، تا پیش از آن نفت ایران زیر سلطه? دولت بریتانیا اداره می‌شد.
سیدمحمود علائی طالقانی؛ از طرفداران دکتر مصدق و از اعضای جبهه ملی بود. او جز مخالفان فعال حکومت پهلوی بود که چندین بار دستگیر و روانه زندان شد.
سیدابوالقاسم کاشانی؛ مجتهد و مرجع تقلید شیعه و سیاستمدار ایرانی و رهبر مذهبی-سیاسی دوران بحرانی 1328 تا 1332 بود.
مرتضی مطهری؛ از نظریه‌پردازان نظام جمهوری اسلامی ایران بود. او در 11 اردیبهشت1358به همراه گروهی از رجال سیاسی انقلابی، هدف گلوله یکی از افراد گروه فرقان قرار گرفت و درگذشت.
سیّدروح‌الله مصطفوی موسوی خمینی؛ مشهور به امام خمینی و سیدروح‌الله خمینی، اولین رهبر و اولین ولی فقیه جمهوری اسلامی ایران بود. او از مراجع تقلید شیعه بود که انقلاب 1357 ایران را رهبری کرد و نظام جمهوری اسلامی ایران را بنیان گذاشت.
علی شریعتی مَزینانی، مشهور به دکتر علی شریعتی، از مبارزان و فعالان مذهبی و سیاسی و از نظریه‌پردازان انقلاب اسلامی ایران بود، که در 44سالگی به‌صورت مشکوکی در انگلستان درگذشت.
سیدحسین فاطمی؛ از 1331 تا 1332 وزیر امور خارجه ایران بود که پس از کودتای 28 مرداد توسط حکومت پهلوی اعدام شد. طرح «جمهوری» در آن مقطع از سوی فاطمی بوده است، به گفته? دکتر مصدق، فکر ملی شدن نفت پیشنهاد دکتر حسین فاطمی بود.
سیدمجتبی میرلوحی؛ معروف به نواب صفوی طلبه بنیان‌گذار گروه مجاهد و شهادت طلب فدائیان اسلام بود که در ترور حسین علاء و احمد کسروی نقش داشت. ایشان پس از ترور ناموفق علاء در اول آذر 1334 بازداشت و در 27 دی شهید شد.
امیر عباس هویدا؛ زمان حکومت پهلوی دوم 13 سال نخست وزیر بود که این طولانی‌ترین ریاست بر دولت در طول تاریخ ایران بوده‌است.
دکتر جمشید آموزگار از دولتمرد ایرانی است. که از شهریور 1356 تا شهریور 1357 نخست‌وزیر ایران بود. پیشتر نیز، وزیر کشور، وزیر بهداری و رئیس دوره‌ای اوپک بود.
جعفر شریف‌امامی؛ از سیاست‌مداران ایرانی دوران پهلوی بود که در طی دو دوره، نخست‌وزیر ایران و به مدت 15 سال، رئیس مجلس سنای ایران بود.
شاپور بختیار؛ سیاستمدار ایرانی، دبیرکل حزب ایران، عضو جبهه ملی ایران، از بنیان‌گذاران نهضت مقاومت ملی پس از کودتای 28 مرداد 1332 و آخرین نخست‌وزیر ایران، پیش از انقلاب 1357 خورشیدی بود.
تیمسار سپهبد فضل‌الله زاهدی ملقب به بصیردیوان نظامی پرسابقه، سناتور همدان در مجلس سنا و نخست‌وزیر ایران در سال‌های 1332 و 1333 هجری شمسی بوده‌است. او برای دو حادثه سرشناس‌تر است: نخست سرکوب و دستگیری شیخ خزعل(عامل انگلیس در خوزستان که درصدد تجزیه بخش‌های عرب‌نشین آن از ایران بود) در آغاز دوران رضاشاه و دوم کودتای 28 مرداد 1332 که در جریان آن، او جای دکتر محمد مصدق را به عنوان نخست وزیر گرفت.
تیمور بختیار؛ نظامی، سیاستمدار و از بنیانگذارانِ ساواک (سازمان اطلاعات و امنیت کشور) و نخستین رئیس ساواک در حکومت پهلوی بود. در سال 1349، توسط مامورانِ ساواک به قتل رسید.
سپهبد حاج‌علی رزم‌آرا نخست‌وزیر ایران در سال 1329 بود. نخست‌وزیری رزم‌آرا با جنجال نفت همراه بود و او ناگزیر شد لایحه? قرارداد گس-گلشائیان را که دولت محمد ساعد به مجلس داده بود پس بگیرد.
مهرداد پهلبد؛ او از 1343 تا 1357 اولین وزیر فرهنگ و هنر ایران و همسر شاهدخت شمس پهلوی بود.
تیمسار ارتشبد حسین فردوست؛ همدرس و رئیس دفتر ویژه? اطلاعات محمدرضا شاه پهلوی؛ یکی از برجسته‌ترین و مؤثرترین چهرههای سیاسی ـ اطلاعاتی دوران حکومت پهلوی بود.
اردشیر زاهدی؛ وزیر خارجه ایران و آخرین سفیر ایران در آمریکا در دوره? محمدرضا شاه پهلوی بود.
شاپور جی ریپورتر؛ پس از جنگ دوم جهانی به عنوان رئیس شبکه سازمان‌های اطلاعاتی بریتانیا در ایران اقامت داشت. او نقش اصلی و تعیین‌کننده در بسیاری حوادث داشت. سرانجام در اسفند 1383 بر اثر سرطان پروستات در گذشت.
ارنست پرون؛ یکی از نزدیک‌ترین و صمیمی‌ترین دوستان محمدرضا شاه پهلوی اهل سوئیس بود و در دوران ولیعهدی با وی به ایران آمد و تا پایان عمر (25 سال) در کنار او ماند. و چه در زمان ولیعهدی و چه پادشاهی محمدرضا انجام برخی ماموریت‌های شخصی و غیررسمی را برای شاه برعهده داشت.
ژوزف استالین؛ رهبر و سیاستمدار کمونیست شوروی بود که از اواسط دهه 20 تا مرگش در 1953 رهبر عملی حزب کمونیست اتحاد شوروی بود.
سِر وینستون لئونارد اسپنسر چرچیل؛ سیاستمدار و نویسنده? بریتانیایی نخست‌وزیر بریتانیا بود.او در سال 1943 به همراه رزولت و استالین در کنفرانس تهران که هدف کلّی‌اش توافق در مورد چهره? جهان پس از پایان جنگ جهانی دوم بود شرکت کرد.
روح‌الله خالقی آهنگساز سرود معروف و پرافتخار «ای ایران ای مرز پرُگهر»
عبدالکریم ایادی ارتشبد؛ از دوستان نزدیک محمدرضا شاه پهلوی و پزشک مخصوص دربار بود.
شعبان جعفری؛ مشهور به «شعبون بی‌مخ» یکی از نام‌های جنجالی تاریخ معاصر ایران و از بازیگران اصلی کودتای 28 مرداد بود.
پروین غفاری؛ در فیلم‌هایی چون موطلایی شهر ما و طوفان در شهر ما نقش اصلی را ایفا کرده و براساس آنچه در تاریخ آمده معشوقه محمدرضا شاه بوده است.
