Robert Rodriguez a annoncé des plans pour une suite à Sin City immédiatement après la sortie du film de 2005, avec l'intention d'adapter le roman graphique A Dame to Kill For.

Frank Miller a décrit la suite comme étant à la fois une préquelle et une suite, avec des histoires s'entrelaçant avant et après les événements du premier film, et le scénario a souffert d'années de retards que Miller a imputés aux frères Weinstein.

Le scénariste William Monahan a été engagé en 2011 pour ajouter les dernières touches au scénario de Frank Miller avant le début de la production.

La Motion Picture Association of America a interdit une affiche promotionnelle mettant en vedette Eva Green en mai 2014 en raison de la nudité visible à travers une robe transparente.

Angelina Jolie aurait été le premier choix de Rodriguez pour jouer Ava Lord, à tel point que la production aurait été retardée pour s'adapter à sa grossesse, bien que Salma Hayek, Rose McGowan et Rachel Weisz aient également été pressenties avant qu'Eva Green soit choisie.

Devon Aoki n'a pas repris le rôle de Miho en raison de sa deuxième grossesse, ce qui a conduit Jamie Chung à prendre le rôle.

Dennis Haysbert a remplacé Michael Clarke Duncan dans le rôle de Manute après la mort de Duncan avant le début de la production.

Jeremy Piven a remplacé Michael Madsen dans le rôle de Bob, même si Madsen avait initialement été annoncé pour reprendre le rôle pendant la pré-production.

Le rôle de Powers Boothe dans le film a été sa dernière apparition cinématographique.

Un Sin City 3 prévu, auquel Rodriguez voulait que Johnny Depp se joigne, a été annulé en raison de la mauvaise performance au box-office et de la réception mitigée d'A Dame to Kill For.