Драматическая повесть «Иван Грозный» построена на обширном документальном материале. Помимо трудов дореволюционных историков: Н. М. Карамзина (VIII и IX тома «Истории государства Российского»), С. М. Соловьева (VI том «Истории России с древнейших времен»), В. О. Ключевского («Курс русской истории» и «Боярская дума древней Руси») и книг советских ученых: Р. Ю. Виппера («Иван Грозный», 1922) и С. Ф. Платонова («Иван Грозный» и «Смутное время», 1923), писатель широко привлекал произведения самого Грозного и его современников, мемуары, записки, письма, летописные и фольклорные памятники эпохи. В работе над дилогией А. Н. Толстой использовал переписку Грозного с Курбским, «Послание Ивана Грозного в Кирилло-Белозерский монастырь 1573 г.», письма Ивана IV к плененному татарами воеводе-опричнику Василию Грязному, духовное завещание царя 1572 года, «Историю о великом князе Московском» А. М. Курбского, «О Москве Ивана Грозного» немца-опричника Генриха Штадена, «Сказания» Альберта Шлихтинга, «О государстве русском» Джильса Флетчера, «Псковские летописи», «Степенную книгу», «Домострой», сочинения Ивана Пере-светова и Ермолая Еразма и такие, более поздние трактаты, как «Юродство о Христе и Христа ради юродивые Восточной и Русской церкви» ключаря собора Василия Блаженного Иоанна Ковалевского. В художественной ткани дилогии нашли отражение и фольклорные материалы, взятые драматургом из сборников П. Симони, Кирши Данилова, П. Киреевского, П. Рыбникова, А. Григорьева, А. Гильфердинга, Н. Ончукова и других. Многие из названных книг с пометками писателя хранятся в его библиотеке.
Литературные памятники эпохи и произведения народного творчества подсказали А. Н. Толстому многие черты психологической характеристики Грозного. В мемуарах и письмах драматург находил интересные сведения об отношениях царя с опричниками и теми или иными представителями боярской оппозиции, существенные подробности быта и нравов того времени. Вместе с тем подбор материалов был в известной мере односторонним. Драматург широко использовал те документы, которые подтверждали сложившийся в его сознании образ царя-патриота и оставлял без внимания свидетельства бессмысленной жестокости властителя, болезненной мнительности Грозного.
Драматическая повесть охватывает основные события 1553–1571 годов — от болезни Ивана Грозного до пожара Москвы, подожженной полчищами хана Девлет Гирея. Но в ряде случаев автор допускает значительные хронологические сдвиги. Так, уже в первой картине, воспроизводящей события 1553 года, сообщается о смерти жены Грозного, царицы Анастасии, которая на самом деле умерла в 1560 году. Помолвка датского принца Магнуса с племянницей царя, Евфимией Владимировной Старицкой, состоялась в 1570 году, то есть несколько позже, чем это изображено в драматической повести. В той же сцене помолвки есть упоминания о событиях Варфоломеевской ночи, в действительности происшедших в 1572 году. За хронологические рамки дилогии выходит эпизод с провозглашением Касимовского царевича Симеона Бекбулатовича земским царем (1574), отнесенный писателем ко времени учреждения опричнины. Во второй картине пьесы «Трудные годы» показаны Земский собор 1566 года и приезд литовского посла Воропая, в действительности приезжавшего в Москву в 1572 году.
Не вполне совпадает с летописными свидетельствами изображение бегства Курбского в шестой картине пьесы «Орел и орлица». Существенно изменены драматургом обстоятельства гибели Марьи Темрюковны. В «Трудных годах» целиком вымышлена история любви Грозного к Анне Вяземской.
Все эти отступления от исторических фактов необходимы писателю для того, чтобы сгруппировать в дилогии важнейшие события царствования Ивана Грозного, как можно полнее и глубже раскрыть характер героя.
Чрезвычайно важную роль сыграло изучение документальных материалов в работе писателя над стилем драматической повести. Язык толстовских пьес несет на себе ощутимые влияния летописных памятников и публицистических произведений XVI века. Поэтическая образность и афористичность речи Грозного во многом подсказаны драматургу подлинными эпистолиями царя; в грубоватом, сочном, чисто народном языке Василия Грязного, Буслаева, скоморохов слышны отзвуки русских сказок, песен, былин; строгая торжественность насыщенной библейскими образами речи Сильвестра напоминает о стиле церковнославянских книг.