Le film est adapté du livre de Nicholas Pileggi, dont la recherche a commencé après la lecture d'un article du Las Vegas Sun de 1980 relatant une dispute domestique entre Frank « Lefty » Rosenthal et sa femme Geri McGee, personnages ayant inspiré Ace et Ginger.
Scorsese a encouragé Pileggi à inverser l'ordre habituel en travaillant d'abord sur le scénario du film avant la sortie du livre, contrairement au souhait initial de l'auteur.
Pour des raisons juridiques, le scénario a dû éviter de nommer directement Chicago, en utilisant l'expression « back home », et remplacer la mention « based on a true story » par « adapted from a true story ».
La scène d'ouverture initialement envisagée montrait Sam se disputant avec Ginger sur la pelouse de leur maison ; jugée trop détaillée, elle a été remplacée par l'explosion de la voiture de Sam, filmée comme une âme s'envolant vers l'enfer.
Le mafieux repenti Frank Cullotta, qui a inspiré le personnage de Frank Marino, a servi de conseiller technique sur le film et y joue même un tueur à gages ; il exprima d'abord son malaise à l'idée que son personnage participe au meurtre des frères Santoro, avant que Scorsese ne le convainque que Nicky ne pouvait être piégé que par un ami de confiance.
Plusieurs actrices ont été envisagées pour le rôle de Ginger avant que Sharon Stone ne soit choisie, dont Nicole Kidman, Kim Basinger, Melanie Griffith, Traci Lords et Madonna.
L'avocat Oscar Goodman, surnommé « le porte-parole de la pègre » et futur maire de Las Vegas, joue son propre rôle dans le film.
Don Rickles, qui interprète le directeur du casino Billy Sherbert, avait réellement connu Frank Rosenthal en participant à son émission télévisée The Frank Rosenthal Show en 1977.
Comme dans plusieurs autres films de Scorsese, la mère du réalisateur, Catherine Scorsese, fait une apparition, ici dans le rôle de la mère de Piscano.
Le tournage a eu lieu du 14 septembre 1994 au 25 janvier 1995, notamment de nuit entre 1h et 4h du matin pendant un mois au casino Riviera de Las Vegas, qui tenait lieu de Tangiers, avec le Landmark Hotel désaffecté servant d'entrée.
La scène d'ouverture montrant l'explosion de la voiture de Sam a été tournée trois fois ; c'est la troisième prise qui a été retenue dans le film.
Pendant la scène de dispute à table, Robert De Niro aurait qualifié Sharon Stone de « bonne actrice ».
Le film a d'abord reçu une classification NC-17 de la MPAA en raison de sa violence graphique ; plusieurs coupes ont été effectuées pour obtenir une classification R.
Le film a été tourné en format Super 35 afin de faciliter son reformatage pour la télévision, un choix assumé par Scorsese bien que le directeur de la photographie Robert Richardson n'ait pas été satisfait de la qualité des copies et n'ait plus utilisé ce format avant Kill Bill: Volume 1.
Le générique du film, dernier travail du designer Saul Bass, a coûté 11 316 dollars (hors honoraires des Bass) en raison des nombreuses expérimentations nécessaires pour créer une explosion continue et calculer précisément la trajectoire du corps en vol.
Robert De Niro porte 52 costumes différents parmi 70 tenues sur mesure créées par Giorgio Armani, tandis que Sharon Stone porte 40 robes différentes, pour un budget total d'un million de dollars ; les acteurs ont pu garder leurs costumes à la fin du tournage.
Il s'agit du premier film sur lequel Scorsese et sa monteuse Thelma Schoonmaker ont travaillé en montage non linéaire, ce qui leur a permis d'expérimenter plusieurs versions d'une même scène et d'introduire des fondus enchaînés, notamment lors d'un travelling sur De Niro où la fumée de cigarette se fond dans le plan suivant.
Environ 45 minutes de film ont été coupées au montage ; la monteuse les jugeait « vraiment merveilleuses » mais ces coupes ont été estimées indispensables au bon fonctionnement du film, Scorsese qualifiant Casino de film « qui a une histoire mais pas d'intrigue ».
Le personnage de Ichikawa est inspiré du joueur japonais Akio Kashiwagi, célèbre dans les années 1970, qui a dilapidé sa fortune à la fin des années 1980 et a été assassiné par la mafia japonaise à Tokyo en 1992.
L'histoire du film s'inspire de faits réels : Anthony Spilotro, qui a inspiré Nicky Santoro, a été battu à coups de batte de baseball et enterré vivant avec son frère lors d'une réunion mafieuse dans un champ de maïs en 1986, un événement quasi identique à celui du film.
Le film a connu un accueil critique plus mesuré que Les Affranchis, sorti cinq ans plus tôt, certains critiques reprochant à Scorsese de revisiter un territoire trop familier, mais sa réputation critique s'est améliorée au fil des années.
