I produttori sostituirono il regista Doug Liman con Paul Greengrass perché la collaborazione con Liman durante il primo film era stata difficile e lo studio non voleva lavorare di nuovo con lui.

Paul Greengrass fu ingaggiato su suggerimento dello sceneggiatore Tony Gilroy dopo che i produttori furono impressionati dal suo film Bloody Sunday sugli eventi nell'Irlanda del Nord.

A differenza della stabile tecnica di ripresa di Doug Liman nel primo film, Greengrass scelse di filmare con telecamere a mano, il che cambiò notevolmente lo stile della serie.

Il film fu girato in ordine inverso della trama: prima le parti della scena d'inseguimento e il finale a Mosca, poi la maggior parte a Berlino e dintorni, e infine le scene d'apertura a Goa, India.

La scena che si suppone si svolga ad Amsterdam fu effettivamente girata altrove: lo skyline non corrisponde, le auto hanno targhe belghe e si vede un espositore di giornali del quotidiano belga L'Echo.

Originariamente il film terminava con Bourne che crolla dopo l'incontro con la figlia degli Neski, seguito da una conversazione con Landy in una camera d'ospedale. Due settimane prima della première, Greengrass e Matt Damon pensarono a un finale alternativo con una conversazione telefonica tra Bourne e Landy a New York, che fu inserito nella versione finale dopo positivi risultati delle proiezioni di prova.

Gli effetti visivi speciali furono realizzati da Industrial Light & Magic (ILM).

Il libro su cui si basa il film differisce molto dall'adattamento cinematografico: nel libro Marie è la moglie di Bourne invece che la sua ragazza e non muore, e la storia si svolge principalmente a Hong Kong invece che a Berlino.

La colonna sonora fu composta da John Powell e eseguita dalla Hollywood Studio Symphony, con molti strumenti a percussione, chitarre e musica elettronica. Durante i titoli di coda suona la canzone 'Extreme Ways' di Moby.

Ai Taurus World Stunt Awards del 2005, lo stuntman russo Viktor Ivanov e la stuntwoman scozzese Gillie McKenzie vinsero il premio per 'Best Vehicle' per il loro lavoro di guida nella scena d'inseguimento a Mosca, e Dan Bradley, il regista della seconda unità del film, vinse il premio generale per coordinatore degli stunt.