La série s'inspire des grands mythes littéraires du XIXe siècle et cherche à raconter comment on peut s'extraire de sa condition sociale, selon la coproductrice Aline Panel.

Le personnage de Céleste a été créé en s'inspirant de Blanche Cavelli, une artiste de la fin du XIXe siècle connue pour ses spectacles d'effeuillage.

Les scénaristes se sont appuyés sur les conseils de l'historienne Lucie Rondeau du Noyer, notamment pour les outils médicaux d'époque ou les codes de politesse envers une comtesse, et l'équipe déco a rassemblé près de 700 documents d'époque (photos, peintures, dessins).

Claire Romain, révélée dans la série à succès Cat's Eyes, retrouve dans Montmartre plusieurs acteurs de la série Ici tout commence, comme Benjamin Baroche, Mikaël Mittelstadt et Lou Ladegaillerie.

Le tournage s'est déroulé du 13 novembre 2024 au 1er avril 2025 en région parisienne, mais très peu de scènes ont pu être tournées à Montmartre même, la mairie de Paris limitant strictement le nombre de jours de tournage autorisés par an dans cet arrondissement.

Le réalisateur Louis Choquette a choisi de ne pas filmer le Montmartre actuel, jugé trop éloigné visuellement de l'époque 1900, et a préféré recréer des rues d'époque en studio plutôt que de tenter de maquiller la butte contemporaine.

Le cabaret fictif L'Éléphant Rose, qui rappelle le célèbre Chat Noir fréquenté par Toulouse-Lautrec, a été entièrement construit dans les studios de Bry-sur-Marne car cela s'est avéré plus simple que de mobiliser un cabaret existant pendant un mois et demi de tournage.

Après le tournage en studio, seulement deux jours de tournage ont eu lieu à Montmartre derrière la basilique du Sacré-Cœur, puis l'équipe s'est installée dans le domaine du centre psychiatrique de Ville-Évrard en Seine-Saint-Denis où une rue montmartroise a été reconstituée ; la scène de la rencontre de Rose avec la famille de La Landes d'Orges a quant à elle été tournée au château de Villette à Condécourt.

Faute de pouvoir tourner suffisamment sur le vrai Montmartre, la production a eu recours à des effets spéciaux en 3D mixés à des photos d'époque pour recréer l'ambiance de la Belle Époque.