Matt Damon decidió no retomar su papel de Jason Bourne en esta película porque el director Paul Greengrass no volvería a dirigir, lo que la convierte en la única película de Bourne sin el personaje titular.

Oscar Isaac era la opción principal de Tony Gilroy para el papel protagónico de Aaron Cross e incluso completó una pantalla de prueba de 12 horas, pero Universal Pictures se negó a aprobarlo porque nunca había encabezado una película; en su lugar, le dieron el papel más pequeño de «Número 3».

Oscar Isaac reflexionó más tarde que perder el papel protagónico fue una bendición disfrazada, ya que le permitió aceptar el papel en Inside Llewyn Davis.

Matt Damon declaró en diciembre de 2009 que no haría otra película de Bourne sin Paul Greengrass, y una vez que Greengrass anunció que no volvería como director, Tony Gilroy y su hermano Dan Gilroy fueron traídos para escribir un nuevo guion sin el personaje de Bourne.

Tony Gilroy dijo que solo tenía la intención de pasar dos semanas consultando sobre una trama posterior a Jason Bourne, pero el personaje de Aaron Cross que desarrolló con su hermano fue lo suficientemente convincente como para que terminara escribiendo y dirigiendo la película completa.

Aunque gran parte de la historia se desarrolla en Washington, D.C., la ciudad real solo aparece en planos aéreos de establecimiento; todas las escenas de interior de D.C. fueron en realidad filmadas durante 12 semanas en los Estudios Kaufman Astoria en Queens, Nueva York.

La casa antigua en Hudson, Nueva York utilizada para el hogar de la Dra. Shearing no podía soportar el peso del equipo de filmación y el equipo, por lo que solo se filmaron las tomas exteriores allí mientras que todas las escenas de interior se filmaron en un escenario.

Las escenas ambientadas en la fábrica ficticia «SteriPacific» en Manila fueron en realidad filmadas en la planta de impresión del New York Times en Queens.

La región de Kananaskis Country en Alberta, Canadá fue utilizada para representar las escenas de la naturaleza de Alaska, mientras que otras secuencias fueron filmadas en Manila, Marikina y Palawan en Filipinas, así como en la estación del mercado Garak en Seúl, Corea del Sur.

A diferencia de las tres películas anteriores de Bourne anotadas por John Powell, la partitura de The Bourne Legacy fue compuesta por James Newton Howard, y una nueva versión de «Extreme Ways» de Moby titulada «Extreme Ways (Bourne's Legacy)» fue grabada para los créditos finales.

El director Tony Gilroy mencionó que tres escenas fueron eliminadas del corte teatral pero aún se corrigieron de color y se mezclaron, ya que los eventos de ellas se siguen mencionando o se implica que sucedieron en la historia de la película; estas fueron destinadas para el lanzamiento en DVD.