La idea de la película surgió después de que los guionistas Robert Benton y David Newman, ambos periodistas de Esquire, vieran en 1960 la película À bout de souffle de Jean-Luc Godard y la combinaran con historias del libro The Dillinger Days sobre Bonnie Parker y Clyde Barrow.
François Truffaut consideró inicialmente ser él mismo el director y adaptó el guión, pero dio prioridad a Fahrenheit 451 y luego envió el script a Jean-Luc Godard.
Godard estaba interesado en el proyecto, pero quería filmar la película en enero en Nueva Jersey; cuando la productora Norah Wright le señaló que la historia se desarrollaba en el cálido Texas, respondió: 'Je vous parle de cinéma, vous me parlez de météo. Au revoir.'
Warren Beatty se enteró del proyecto a través de Truffaut durante una estancia en París, compró luego los derechos del guión por 75.000 dólares y se puso en busca de un director.
Beatty pidió sucesivamente a George Stevens, William Wyler, Karel Reisz, John Schlesinger, Brian G. Hutton y Sydney Pollack que dirigieran la película, pero todos se negaron, tras lo cual Arthur Penn —quien al principio también se negó varias veces— fue convencido.
En el guión original, Clyde era bisexual y habría una relación triangular entre Bonnie, Clyde y el conductor C.W. Moss; el guionista Robert Towne lo reescribió e hizo que Clyde fuera impotente en su lugar, con su pistola funcionando como una especie de símbolo fálico.
Para el papel de Bonnie Parker se consideró a Jane Fonda, Tuesday Weld, Ann-Margret, Sharon Tate, Leslie Caron, Carol Lynley y Sue Lyon; Tuesday Weld se retiró después de un embarazo e incluso Cher hizo una audición.
Beatty suplicó a Natalie Wood que interpretara el papel de Bonnie, pero ella rechazó porque estaba en terapia y había encontrado difícil trabajar con Beatty anteriormente; finalmente fue elegida la entonces prácticamente desconocida Faye Dunaway después de que Arthur Penn quedara impresionado por su película de debut The Happening.
Gene Wilder hizo su debut en cine en esta película como el secuestrado Eugene Grizzard.
El papel de la madre de Bonnie le correspondió a Mabel Cavitt, una maestra local de Red Oak, Texas, que fue descubierta por los cineastas entre el público que acudía a ver los rodajes.
Beatty quería grabar la película en blanco y negro, pero Warner Bros. se negó.
Durante el rodaje, surgieron conflictos constantes entre Beatty y el director Penn, con la película esperando a veces durante horas; una escena en la que Bonnie y Clyde fingen estar muertos fue finalmente eliminada del guión después de semanas de discusión.
Al filmar una escena en la que Beatty y Dunaway tenían que vadear un río, hacía tanto frío que los actores temblaban constantemente; la grabación de esta escena acabó tomando tres días.
Una nube inesperada causó una sombra sobre el rostro de Faye Dunaway durante una escena; Penn mantuvo esta toma accidental en la película porque la vio como un anuncio simbólico del final del dúo de gangsters.
La diseñadora de vestuario Theadora Van Runkle eligió un estilo glamuroso con faldas hasta la rodilla y boinas en lugar de la imagen sombría y desgastada que Dunaway inicialmente quería; la boina se convirtió así en un éxito de moda en Estados Unidos.
Bonnie and Clyde fue una de las primeras películas que hizo un uso extenso de squibs, pequeñas cargas explosivas con bolsas de sangre bajo la ropa de los actores para simular impactos de bala, incluso en el rostro de Beatty y Dunaway durante la infame escena final.
La pieza instrumental de banjo Foggy Mountain Breakdown de Flatt and Scruggs se hizo mundialmente famosa por su uso en la película, a pesar de ser anacrónica: la música bluegrass se remonta a mediados de los años cuarenta mientras que la película se desarrolla en los años treinta.
La viuda e hijo del verdadero Texas Ranger Frank Hamer demandaron a Warner Bros. por difamación por su descripción denigrante en la película; el caso se resolvió fuera de los tribunales en 1971.
Blanche Barrow, quien había aprobado el guión original pero no la versión reescrita, se quejó después de ver la película de que fue retratada como 'el trasero de un cerdo que grita'.
El crítico Bosley Crowther del The New York Times atacó duramente la película por su violencia, pero fue despedido posteriormente porque su reseña negativa no se alineaba con la opinión pública; Pauline Kael escribió en cambio un ensayo elogioso sobre la película y se convirtió posteriormente en crítica habitual de The New Yorker.
