В 1964 году на «Ленфильме» вышел фильм «Зайчик». Быков впервые попробовал себя здесь в качестве режиссера. Картину о скромном и робком театральном гримере жестко раскритиковали чиновники. После выхода ленты Быкову годами не давали ничего снимать, хотя он уже давно хотел подарить зрителю картину о летчиках Великой Отечественной войны.

«В бой идут одни «старики» (1973)

Долгие годы актер тщетно добивался возможности сесть в кресло режиссера. Тогда последовало приглашение от киевской киностудии имени Довженко. Быков переехал из Северной столицы, но и там долгое время безуспешно пытался договориться с чиновниками о запуске съемок «В бой идут одни «старики». Лишь в начале 1970-х «добро» было получено.
Сценарий к киноленте актер подготовил вместе с Евгением Оноприенко и Александром Сацким. Текст был основан на подлинных событиях ВОВ. Под личностью командира эскадрильи гвардии капитана Титаренко («Маэстро») скрывался Герой Советского Союза Виталий Попков. Его эскадрилья была прозвана «поющей» за то, что в ней имелся собственный хор.

После того как «Стариков» уже сняли, чиновники вновь стали чинить препятствия. Картину нашли слишком «легковесной» для произведения о войне. Тогда на защиту встал маршал авиации Александр Покрышкин и тот самый Виталий Попков.
Яркие характеры персонажей, неповторимый юмор, запоминающиеся фразы, многие из которых стали крылатыми, лирические и драматические линии сюжета, замечательные песни, в числе которых легендарная «Смуглянка», а также великолепно подобранный состав актеров сделали фильм всенародно любимым. Сегодня «В бой идут одни «старики» – одна из лучших картин о ВОВ.
Особенно выделяется в картине тандем Быкова и исполнившего роль механика Алексея Смирнова, с которым артист дружил. Режиссер чувствовал, что у них получится на экране блестящий альянс и не прогадал. Актеры могли импровизировать на ходу. Однажды, и этот момент попал в картину, герой Смирнова крестит улетающий на боевое задание самолет. Изначально эпизода не было в сценарии, его Алексей Макарович «принес» с собой с войны.

Спустя пять лет после выхода фильма на экран Смирнова сразил сердечный приступ. Он больше полугода провел в Мариинской больнице в Ленинграде. Там его навещал Леонид Быков – в последний раз он сделал это 25 марта 1979 года. На прощание режиссер «Стариков» выдал другу: «Будем жить, Макарыч! Будем жить».

«Аты-баты, шли солдаты» (1977)

Этот фильм стал последней законченной режиссерской работой и последней киноролью артиста. Картина далась Быкову очень тяжело.
В основу ленты лег сценарий авторов «Офицеров» Бориса Васильева и Кирилла Рапопорта. Роль ефрейтора Святкина Быков примерил на себя, а главного героя исполнил Владимир Конкин, которого после Павла Корчагина стали приглашать практически везде. На остальные роли режиссер пригласил малоизвестных московских и украинских актеров.

Начало съемок выдалось чуть ли не катастрофическим. Команда работала на пределе возможностей, играя в 30-градусные морозы. Техника глохла, серьезно заболевали люди. Когда большая часть материала была отснята, выяснилось, что километры цветной пленки просто забракованы – на студии забыли поменять рамку с обычного кадра на широкоэкранный. В итоге Леониду Быкову пришлось идти к министру обороны Андрею Гречко, чтобы вновь выбить необходимую военную технику для съемок. Брак по пленке настолько сильно повлиял на Быкова, что он слег со вторым по счету инфарктом. Первый был на съемках того самого «Зайчика» в 1964-м.
Однако Быков нашел в себе силы завершить картину. Он вернулся после длительного пребывания в больнице и почти сразу начал снимать эпизод, где сам лихо отплясывает вприсядку – коллеги не могли поверить, что совсем недавно режиссер боролся со смертью.
Фильм вышел на экран в апреле 1977 года – картина имел оглушительный успех у публики. Почти такой же, как знаменитые «старики». Спустя еще год Быков взялся за новую картину - по повести Евгения Шатько «Пришелец-73». Ее режиссер закончить не успел. Жизнь Быкова оборвалась в страшном ДТП на трассе «Минск – Киев» 11 апреля 1979 года.