Tornatore iniziò a pensare alla storia nel 1983, ma scrisse il trattamento solo nel dicembre 1987 su suggerimento di Goffredo Lombardo, produttore del suo film d'esordio Il camorrista.

Il personaggio di don Adelfio è ispirato al parroco della chiesa del Santo Sepolcro di Bagheria, frequentata da Tornatore da bambino, mentre Alfredo è ispirato al fotografo e proiezionista bagherese Mimmo Pintacuda, amico e maestro del regista.

Il ruolo di Alfredo era stato pensato per Turi Ferro, ma per impegni teatrali si dovette cercare altri interpreti: furono considerati anche Marcello Mastroianni e Gian Maria Volonté, entrambi impossibilitati per altri impegni, prima che il ruolo andasse a Philippe Noiret.

Franco Cristaldi propose Alberto Sordi per il ruolo di Alfredo, ma Tornatore non lo riteneva adatto; inviandogli comunque il copione senza spiegazioni, Sordi fraintese pensando di dover interpretare Totò adulto, e ciò convinse il regista a scartarlo definitivamente.

Salvatore Cascio, scelto per interpretare Totò bambino, fu selezionato tra i bambini delle scuole elementari siciliane dopo due provini, all'età di 9 anni, e venne poi richiamato da Tornatore anche nel cast di Stanno tutti bene.

Tornatore appare in un piccolo cameo nei panni dell'operatore che proietta la bobina finale: aveva chiesto a Federico Fellini di interpretare quella scena, ma il regista riminese rifiutò suggerendo che fosse Tornatore stesso a farlo, dando così inizio a una tradizione di camei nei suoi film successivi.

Le riprese, durate da maggio ad agosto 1988, si svolsero quasi interamente in Sicilia, con Palazzo Adriano come location principale per tre mesi: la facciata del Cinema Paradiso fu allestita appositamente in piazza Umberto I e smontata a fine riprese, mentre gli interni della sala furono girati nella Chiesa di Maria Santissima del Carmelo.

Il nome del paese immaginario, Giancaldo, è un omaggio al Monte Giancaldo che sovrasta Bagheria, città natale di Tornatore.

Il film esistette in tre versioni di lunghezza diversa: 173 minuti presentati in anteprima nel 1988, poi 155 minuti per l'uscita in sala, e infine 123 minuti (con il taglio dell'intero segmento adulto con Elena interpretata da Brigitte Fossey) che divenne la versione di successo internazionale.

Dopo il flop della versione da 155 minuti, il film incassò in Italia solo circa 100 milioni di lire, con l'eccezione della città di Messina dove un gestore di sala, colpito dal film, fece entrare gratis gli spettatori chiedendo il pagamento del biglietto solo se il film fosse piaciuto.

Il film fu ritirato dal Festival di Berlino del 1989 per una polemica legata a dichiarazioni del direttore Moritz de Hadeln sul cinema italiano; la vicenda attirò l'attenzione del direttore di Cannes Gilles Jacob, che chiese di vedere la pellicola, portandola infine in concorso a Cannes dove vinse il Grand Prix Speciale della Giuria.

Ennio Morricone inizialmente rifiutò di comporre la colonna sonora perché impegnato su Old Gringo, ma il produttore Franco Cristaldi lo convinse inviandogli la sceneggiatura; il brano Tema d'amore fu invece composto dal figlio del compositore, Andrea Morricone.

Il film ha ispirato citazioni in altre opere, tra cui un episodio de I Simpson con la scena finale dei baci censurati, una battuta in L'amore non va in vacanza, e un verso dei Dream Theater nella canzone Take the Time che riprende la frase di Alfredo sulla cecità.

Il paese di Palazzo Adriano, location principale del film, è diventato meta di cineturismo con circa ventimila visitatori l'anno, l'80% dei quali provenienti dall'estero, soprattutto dall'Asia dove il film ha avuto grande successo.