Tại thời điểm phát sóng, dù nhận về phản hồi tích cực từ khán giả lẫn giới chuyên môn và được coi là dấu mốc đánh dấu khả năng làm phim lịch sử của nước nhà,[6][25][26] bộ phim vẫn vấp phải nhiều ý kiến trái chiều về sự sai lệch và tính hư cấu sử trong nội dung.[27][28] Theo đó, các tình tiết xoay quanh nhân vật Công chúa Cúc Phương trong phim đã bị người dân làng Kim Vân, Hà Nội phản ứng do có nhiều chi tiết khác biệt so với nội dung trên thành hoàng làng.[28] Tác giả kịch bản, ông Nguyễn Mạnh Tuấn sau đó đã trả lời rằng những gì được lưu truyền về nhân vật được xem như một huyền sử, đồng thời nhấn mạnh Huyền sử thiên đô là phim huyền sử.[28] Việc phát sóng bộ phim cũng gây nên tranh cãi khi Đài Truyền hình Việt Nam đột ngột loan báo thông tin dừng phát phim ở tập 20 và thay vào đó là phim Lý Công Uẩn: Đường tới thành Thăng Long, gây nên bức xúc cho người xem.[29][30] 22 tập của bộ phim sau đó đã nhanh chóng được thông báo tiếp sóng trở lại sau khi việc kí kết thương thảo được thông qua.[6][31]