Robert Towne avait refusé d'écrire l'adaptation de Gatsby pour 175 000 dollars proposée par le producteur Robert Evans, préférant lui demander seulement 25 000 dollars pour écrire sa propre histoire originale, Chinatown.

Chinatown devait être le premier volet d'une trilogie de Towne sur le personnage de Jake Gittes et l'exploitation des ressources à Los Angeles (l'eau, puis le pétrole avec Les Deux Jake, puis la terre), mais l'échec du deuxième film mit fin au projet du troisième.

Le personnage de l'ingénieur Hollis Mulwray est librement inspiré de William Mulholland, véritable ingénieur en chef du service des eaux de Los Angeles au début du XXe siècle, dont la carrière fut brisée par la catastrophe du barrage de St. Francis en 1928, évoquée dans le film.

Le scénario s'inspire notamment du livre de Carey McWilliams, Southern California Country: An Island on the Land, dont Towne a dit dans une lettre à l'auteur qu'il avait « changé sa vie » en le poussant à écrire sur sa ville natale.

Le titre du film et la réplique finale « Forget it, Jake, it's Chinatown » viennent d'un ancien policier des mœurs hongrois ayant travaillé dans le Chinatown de Los Angeles, qui expliquait à Towne que les policiers avaient intérêt à n'y rien faire tant la situation y était insaisissable.

Le personnage de Jake Gittes doit son nom au producteur Harry Gittes, un ami de Jack Nicholson.

Jane Fonda fut sérieusement envisagée pour le rôle d'Evelyn Mulwray, mais Roman Polanski insista pour engager Faye Dunaway.

Roman Polanski apparaît en caméo dans le rôle du petit truand qui tranche le nez de Gittes ; la scène était filmée avec un couteau spécial à lame articulée reliée à une poche de faux sang, et l'effet aurait pu réellement blesser Nicholson si Polanski ne l'avait pas manié avec précision.

Les relations entre Roman Polanski et Faye Dunaway furent conflictuelles tout au long du tournage, tandis que celles avec Nicholson restèrent globalement bonnes, à l'exception d'un incident où Polanski brisa un téléviseur parce que l'acteur voulait interrompre une scène pour regarder un match de baseball.

Plusieurs directeurs de la photographie se sont succédé sur le film : William A. Fraker fut d'abord choisi puis écarté à la demande de Robert Evans, puis Stanley Cortez travailla brièvement avant d'être remplacé par John A. Alonzo, jugé plus rapide et plus habile avec la lumière naturelle ; Cortez ne tourna finalement que quelques scènes, dont celle de l'orangeraie.

Comme l'anglais de Polanski était limité, il communiquait avec le directeur de la photographie John A. Alonzo en italien, qui traduisait ensuite ses indications à l'équipe.

Robert Towne voulait initialement que Noah Cross meure et qu'Evelyn Mulwray survive, mais Roman Polanski, encore marqué par l'assassinat de son épouse Sharon Tate, imposa la fin tragique finalement retenue, qu'il a écrite quelques jours seulement avant le tournage de la scène.

La musique originale du film, composée par Phillip Lambro, fut rejetée au dernier moment par le producteur Robert Evans, qui confia en urgence à Jerry Goldsmith la composition d'une nouvelle partition, écrite et enregistrée en seulement dix jours.

Le trompettiste Uan Rasey, premier trompette de la MGM, interpréta les solos de trompette du film ; Goldsmith lui aurait demandé de jouer « sexy, mais comme si ce n'était pas du bon sexe ».

En 1974, alors qu'il tournait The Fortune juste après Chinatown, Jack Nicholson apprit par des chercheurs du magazine Time que sa « sœur » était en réalité sa mère, un rebondissement personnel troublant en écho à la révélation du film sur Evelyn et Katherine.