L'idée du film vient du producteur délégué Robert Kosberg, admirateur du court métrage La Jetée de Chris Marker, qui a persuadé ce dernier de le laisser présenter le projet à Universal Pictures comme base d'un long métrage de science-fiction.

Terry Gilliam a signé pour réaliser le film juste après avoir abandonné son projet d'adaptation du Conte de deux cités de Dickens, et c'est seulement le deuxième film qu'il réalise sans avoir écrit ou co-écrit le scénario.

En raison de son précédent conflit avec Universal sur la version définitive de Brazil, Gilliam a exigé et obtenu le privilège du final cut, en échange de quoi le studio a demandé que le film ne soit pas interdit aux moins de 18 ans et ne dépasse pas 2h15.

Terry Gilliam voulait initialement Nick Nolte pour incarner James Cole et Jeff Bridges pour Jeffrey Goines, mais Universal s'y est opposé ; Nicolas Cage et Tom Cruise ont aussi été suggérés avant que Gilliam ne choisisse Bruce Willis.

Gilliam n'était initialement pas convaincu par le choix de Brad Pitt pour le rôle de Jeffrey Goines, mais le directeur de casting l'a persuadé ; Pitt a été engagé pour un cachet modeste d'environ 500 000 dollars, n'étant pas encore une star à l'époque.

Pour préparer son rôle, Brad Pitt a passé plusieurs semaines à observer le service psychiatrique de l'hôpital de l'université Temple à Philadelphie avant le tournage.

Bruce Willis devait se faire refaire chaque jour de tournage trois tatouages (un numéro de prisonnier sur le crâne et un code-barres de chaque côté du cou), et Gilliam lui avait fourni une liste de tics d'acteur à éviter, notamment son fameux regard « bleu acier ».

Le tournage s'est déroulé du 8 février au 6 mai 1995 principalement à Philadelphie et Baltimore en plein hiver, ce qui a causé des problèmes météorologiques, et Gilliam s'est blessé en tombant de cheval à mi-tournage.

Faute de budget suffisant pour tourner en studio, l'équipe a utilisé des bâtiments abandonnés : l'ancienne prison Eastern State Penitentiary de Philadelphie pour l'asile, l'aéroport international de Baltimore et le Pennsylvania Convention Center pour les scènes d'aéroport, et une centrale électrique désaffectée pour les interrogatoires de Cole.

Pour une scène où l'ombre d'un hamster tournant dans sa roue devait apparaître furtivement sur un mur, l'animal refusant de coopérer, Gilliam a passé une journée entière à tourner cette scène qui ne devait durer que quelques instants.

L'architecte Lebbeus Woods a intenté un procès à Universal en février 1996, affirmant que son œuvre 'Neomechanical Tower (Upper) Chamber' avait été utilisée sans autorisation pour la salle d'interrogatoire futuriste ; il a gagné le procès mais a finalement accepté le maintien des scènes contre un dédommagement financier à six chiffres.

Le thème principal de la partition composée par Paul Buckmaster s'inspire de la Suite Punta del Este du compositeur argentin de tango Astor Piazzolla.

Le film contient plusieurs clins d'œil à Vertigo d'Alfred Hitchcock : Cole et Railly se réfugient dans un cinéma projetant un marathon Hitchcock, Railly se transforme en blonde comme le personnage de Kim Novak, et elle porte le même manteau que celui de Novak dans le film original.

La scène où Cole se réveille à l'hôpital entouré de scientifiques parlant en chœur est un hommage direct à la scène 'Dry Bones' de la série télévisée The Singing Detective de Dennis Potter.

Brad Pitt a remporté le Golden Globe du meilleur acteur dans un second rôle et a été nominé à l'Oscar dans la même catégorie, perdant face à Kevin Spacey pour Usual Suspects.