Il film ha avuto inizio come un mistero delittuoso con una sottotrama comica e romantica, prima che Allen e Brickman abbandonassero completamente la trama dell'omicidio e rielaborassero la storia intorno alla relazione tra Alvy e Annie.

Il titolo di lavoro di Allen per il film era Anhedonia, un termine che indica l'incapacità di provare piacere; altri titoli rifiutati includevano It Had to Be Jew, Rollercoaster Named Desire, Me and My Goy e Anxiety.

La trama abbandonata del mistero delittuoso è riemersa anni dopo nel film di Allen del 1993 Manhattan Murder Mystery, che vedeva ancora protagonista Diane Keaton.

Il ruolo di Annie Hall è stato scritto specificamente per Diane Keaton, il cui vero cognome è Hall e che era soprannominata Annie; lei e Allen avevano precedentemente avuto una relazione romantica nella vita reale.

Federico Fellini era la prima scelta di Allen per la comparsata nel cinema lobby in cui critica i commentatori di cultura pop, ma dopo che sia Fellini che Luis Buñuel rifiutarono, fu scelto invece Marshall McLuhan, che dovette tornare dal Canada per le riprese aggiuntive.

Il film presenta ruoli piccoli e precoci per diversi futuri star, tra cui Sigourney Weaver nel suo debutto al cinema, Jeff Goldblum, Christopher Walken, Beverly D'Angelo e John Glover, più una comparsata dell'autore Truman Capote nei panni di se stesso.

La fotografia principale iniziò il 19 maggio 1976 nella South Fork di Long Island con la scena della bollitura dell'aragosta, e continuò in modo intermittente per dieci mesi, discostandosi frequentemente dalla sceneggiatura scritta.

L'immagine della casa d'infanzia di Alvy situata sotto una montagna russa non era nella sceneggiatura; Allen decise di usarla sul momento dopo aver notato la struttura mentre faceva ricognizione di location a Brooklyn con il direttore della fotografia Gordon Willis e il direttore artistico Mel Bourne.

La famosa scena in cui Alvy accidentalmente starnutisce in una pila di cocaina non era sceneggiata ma emerse da un incidente di prova sul set; il pubblico di prova rideva così a lungo da essa che i montatori dovettero inserire una pausa più lunga affinché il dialogo seguente non andasse perduto.

Il direttore della fotografia Gordon Willis suggerì di filmare le scene di doppia terapia su un solo set diviso da una parete piuttosto che utilizzare la tradizionale tecnica dello schermo diviso.

La narrazione conclusiva del film con la battuta 'we all need the eggs' è stata scritta e registrata solo due ore prima a una proiezione di prova.

L'aspetto del costume di Diane Keaton nel film—blazer oversize, gilet, cravatte e pantaloni larghi—divenne noto come lo 'stile Annie Hall' e influenzò la moda femminile della fine degli anni '70; sebbene Ralph Lauren spesso abbia rivendicato il merito, solo una giacca e una cravatta nel film provenivano effettivamente dalla sua etichetta.

Molti osservatori, inclusi lo sceneggiatore Marshall Brickman e il produttore esecutivo Robert Greenhut, si aspettavano che Star Wars vincesse i principali Oscar quell'anno, ma Annie Hall vinse invece Miglior Film, Miglior Regia, Miglior Sceneggiatura Originale e Miglior Attrice.

Nonostante l'acclamazione diffusa e i premi, Woody Allen ha espresso delusione per il film finito, dicendo che era originariamente concepito per descrivere cosa accade nella mente di un uomo, ma finì per essere ridotto solo alla relazione tra i suoi e i personaggi di Keaton.