Le scénario a été écrit en 1990 par Mike Werb et Michael Colleary sous forme de script spéculatif, inspiré par un ami commun ayant eu un accident de deltaplane nécessitant que son visage soit retiré puis reconstruit.

Le film s'inspire également du film noir La Randonnée fantastique / White Heat (1949) pour l'idée d'un personnage survivant à une émeute de prison.

Le scénario, situé à l'origine dans un futur lointain, fut optionné par Joel Silver et Warner Bros. en 1991 avant que l'option n'expire en 1994 ; le projet fut ensuite repris par Paramount Pictures, et Rob Cohen, initialement pressenti pour réaliser, quitta le projet pour tourner Cœur de dragon.

Marco Brambilla avait un temps été annoncé comme réalisateur en 1995 avant que John Woo ne rejoigne le projet en 1996 et décide de situer l'intrigue dans le présent plutôt que dans le futur comme prévu initialement.

De nombreux duos d'acteurs ont été envisagés pour incarner Archer et Troy avant Travolta et Cage, notamment Sylvester Stallone et Arnold Schwarzenegger, Michael Douglas et Harrison Ford, ou encore Alec Baldwin et Bruce Willis ; Schwarzenegger aurait beaucoup regretté de ne pas avoir obtenu le rôle.

Johnny Depp voulait jouer Sean Archer mais a refusé le rôle après avoir lu le script ; Patrick Swayze a également auditionné pour l'un des rôles principaux.

Nicolas Cage n'avait initialement aucune envie de jouer le méchant, mais John Woo l'a convaincu en lui expliquant qu'en échangeant son identité avec le personnage de Travolta, il serait en réalité le héros pendant la majeure partie du film.

Jennifer Tilly puis Julianna Margulies furent envisagées pour le rôle de Sasha Hassler avant que Gina Gershon ne l'obtienne, et Mark Wahlberg refusa le rôle de Pollux Troy, finalement confié à Alessandro Nivola.

Les noms des frères Castor et Pollux font référence aux Dioscures de la mythologie grecque, jumeaux transformés par Zeus en constellation des Gémeaux.

Dans la version originale, la prison de haute sécurité s'appelle Erewhon, anagramme de « Nowhere » (nulle part), un nom emprunté au roman de Samuel Butler désignant un pays imaginaire.

Face/Off est le premier film composé par John Powell ; Hans Zimmer, initialement sollicité par John Woo, était trop occupé et a recommandé Powell tout en promettant de rattraper le film en cas d'échec, ce qui ne fut jamais nécessaire, l'équipe devant composer 115 minutes de musique en dix semaines.

Le tournage a duré du 4 janvier au 1er avril 1997 (ou d'octobre 1996 à avril 1997 selon la version française) et s'est déroulé en Californie, notamment à Los Angeles, San Pedro, Baldwin Park, Agoura Hills et à l'aéroport logistique du sud de la Californie à Victorville.

La scène finale de poursuite en hors-bord a été tournée à San Pedro.

Le film a été le premier film hollywoodien pour lequel John Woo a obtenu un contrôle créatif majeur.

Face/Off est considéré comme faisant partie de la « sainte trinité » des films d'action de Nicolas Cage, avec Con Air et The Rock ; en 2022, Cage a déclaré que le film avait « bien vieilli ».

Face/Off aurait inspiré le film hongkongais Infernal Affairs, dont le réalisateur Andrew Lau a préféré une situation plus réaliste avec un échange d'identité plutôt qu'une greffe physique de visage ; Infernal Affairs a lui-même inspiré Les Infiltrés de Martin Scorsese, lauréat de l'Oscar du meilleur film.