Le scénariste J. Michael Straczynski a d'abord appris l'affaire Christine Collins en 1983 par une source de la Mairie de Los Angeles qui l'avertissait que des documents d'archives allaient être détruits, notamment les transcriptions des auditions du conseil municipal sur l'aide sociale concernant cette affaire.

Straczynski a passé environ un an à rechercher l'affaire en consultant des dossiers judiciaires, des archives de tribunaux, de la Mairie et de la morgue, en rassemblant environ 6 000 pages de documentation avant de rédiger le premier brouillon du scénario en seulement 11 jours.

Pour que le film soit crédité comme « une histoire vraie » plutôt que « inspiré d'une histoire vraie », Straczynski a examiné l'intégralité du scénario avec le département juridique d'Universal, en fournissant une attribution historique pour chaque scène.

Ron Howard avait initialement acquis les droits et avait l'intention de réaliser le film, mais après s'être engagé sur Frost/Nixon et Anges & Démons, il a dû se retirer ; Howard et Brian Grazer ont alors proposé le projet à Clint Eastwood, qui a accepté de réaliser immédiatement après avoir lu le scénario.

Le titre du film, faisant référence aux légendes des contes de fées sur un enfant substitué, n'était à l'origine qu'un titre de travail de Straczynski en raison de ses connotations surnaturelles, mais il n'a jamais été changé.

Cinq actrices, notamment Reese Witherspoon et Hilary Swank, ont mené campagne pour le rôle principal, mais Eastwood a choisi Angelina Jolie parce qu'il trouvait que son visage convenait à l'époque des années 1920.

Jolie a d'abord été réticente à prendre le rôle car, en tant que mère, elle trouvait le sujet troublant, et elle a finalement basé sa performance sur sa propre mère, décédée en 2007.

Jason Butler Harner a obtenu le rôle de Gordon Stewart Northcott après une seule audition enregistrée, et Eastwood a été frappé par la ressemblance remarquable entre Harner et le vrai tueur une fois maquillé.

Eastwood a réalisé le film avec un style extrêmement économe, disant rarement « moteur » ou « coupez », en limitant les répétitions et les prises, et en parlant si doucement que le chef opérateur Steve Campanelli devait parfois relayer ses instructions à Jolie.

Pour les scènes de la centrale téléphonique, Jolie a appris à faire du patin à roulettes en talons hauts, en reproduisant une pratique documentée de l'époque.

Le tournage principal s'est terminé deux jours avant l'échéance de 45 jours, et une grande partie du film a été tournée sur les backlots d'Universal Studios et de Warner Bros. plutôt que dans les véritables quartiers des années 1920 de Los Angeles, car la plupart des bâtiments originaux avaient été démolis.

Pour suivre le rythme de tournage rapide d'Eastwood, l'équipe des effets visuels a largement évité les techniques de fond bleu en faveur de la rotoscopie, une technique qu'Eastwood avait aussi utilisée de manière extensive sur Flags of Our Fathers.

Les artistes des effets visuels ont utilisé la technologie de capture de mouvement et le logiciel de simulation de foule Massive pour créer des piétons numériques pour les scènes de rues des années 1920 de Los Angeles, en capturant deux fois plus de données de mouvement que sur n'importe quel projet antérieur pour permettre des figurants numériques en gros plan.

Le dernier plan de deux minutes et demie du film, dans lequel Christine Collins s'éloigne dans une foule, ne faisait pas partie de la version présentée à Cannes ; le superviseur des effets visuels Michael Owens l'a ajouté après coup, inspiré par la fin de Chinatown (1974).

Clint Eastwood a composé lui-même la bande sonore du film, influencée par le jazz, qui a été orchestrée et dirigée par Lennie Niehaus.