Beacon Pictures adquirió los derechos de la novela de P. D. James en 1997, y el guion pasó por varios escritores, incluyendo Paul Chart, luego Mark Fergus y Hawk Ostby, antes de que Cuarón y Timothy J. Sexton lo reescribieran.

Temiendo que leer la novela original lo hiciera cuestionarse sus decisiones creativas, Cuarón eligió no leer el libro de P. D. James en su totalidad, en su lugar leyó solo una versión abreviada mientras su coguionista Sexton leía la novela completa.

Cuarón pausó el proyecto para dirigir Harry Potter and the Prisoner of Azkaban, y durante ese tiempo el guionista David Arata reescribió el guion, entregando el borrador que aseguró el casting de Clive Owen y movió la película hacia la preproducción.

Cuarón utilizó La Batalla de Argel como modelo para la reconstrucción social de la película y se la mostró a Clive Owen como ejemplo de su visión, mientras también se inspiraba en los escritos del filósofo Slavoj Žižek y en la película de 1927 Sunrise: A Song of Two Humans.

La escena del ataque terrorista de apertura en Fleet Street se filmó solo un mes y medio después de los atentados de Londres de 2005, y Cuarón nunca consideró trasladar la producción a pesar de la tragedia ya que las locaciones de Londres eran esenciales para la historia.

Para hacer que las locaciones del Este de Londres se vieran más deterioradas, Cuarón le dijo a su equipo que las hicieran 'más mexicanas', comparando las locaciones británicas desgastadas con cómo se vería un entorno similar en México para potenciar la sensación de pobreza.

El rascacielos The Shard, que aún no había sido construido en el momento del rodaje, fue añadido digitalmente al horizonte de Londres basándose en planos arquitectónicos iniciales ya que se esperaba que estuviera completado para el escenario de 2027 de la película.

La secuencia de emboscada en la carretera de cuatro minutos, inicialmente considerada 'imposible' por expertos de producción, se logró utilizando un rig de auto especial inventado por Gary Thieltges de Doggicam Systems, con asientos inclinables y un parabrisas que podía moverse fuera del camino de la cámara.

Durante el rodaje de la secuencia de batalla de seis minutos, sangre salpicó accidentalmente la lente de la cámara, y el cinematógrafo Emmanuel Lubezki convenció a Cuarón de mantener la toma en lugar de rehacerla.

A pesar de ser comercializada como tomas largas continuas, los famosos planos largos de la película fueron en realidad compuestos por múltiples tomas fusionadas sin costuras por el equipo del supervisor de efectos visuales Frazer Churchill, quien creó más de 160 efectos de este tipo; por ejemplo, la emboscada del auto combinó seis secciones filmadas en cuatro locaciones diferentes durante una semana.

Para la escena del parto de Kee, Cuarón originalmente planeó usar un bebé animatrónico durante toda la película excepto durante el nacimiento, pero después de quedar impresionado con el bebé CG creado por Framestore para esa escena, volvió y reemplazó el bebé animatrónico en tomas anteriores con la versión generada por computadora.

Cuarón encargó al compositor británico John Tavener que escribiera una pieza de 15 minutos llamada 'Fragments of a Prayer', con letras en latín, alemán y sánscrito cantadas por la mezzo-soprano Sarah Connolly, como un motivo espiritual que refleja temas de maternidad y redención.

La película incluye numerosas referencias visuales en capas, como una escena de una mujer llorando a su hijo muerto que alude a una fotografía real del conflicto de los Balcanes, la cual a su vez evocaba la escultura Pietà de Michelangelo, mientras que otra escena hace referencia directa al David de Michelangelo.

El conjunto del archivo de arte de Battersea Power Station, evocando la Tate Modern de Londres, presentaba obras de arte incluyendo el David de Michelangelo, el Guernica de Picasso, y Kissing Coppers de Banksy, más un globo de cerdo añadido como homenaje al álbum Animals de Pink Floyd.

Durante una escena que representa refugiados siendo desvestidos y asaltados, la canción 'Arbeit Macht Frei' de The Libertines suena de fondo, reforzando las alusiones visuales de la escena a las redadas nazis.