Het idee voor de film ontstond nadat scenaristen Robert Benton en David Newman, beiden journalist bij Esquire, in 1960 de film À bout de souffle van Jean-Luc Godard zagen en dit combineerden met verhalen uit het boek The Dillinger Days over Bonnie Parker en Clyde Barrow.
François Truffaut overwoog aanvankelijk zelf regisseur te worden en paste het scenario aan, maar gaf voorrang aan Fahrenheit 451 en stuurde het script daarna door naar Jean-Luc Godard.
Godard was geïnteresseerd in het project, maar wilde de film in januari in New Jersey opnemen; toen producente Norah Wright hem erop wees dat het verhaal zich in het warme Texas afspeelde, antwoordde hij: 'Je vous parle de cinéma, vous me parlez de météo. Au revoir.'
Warren Beatty hoorde via Truffaut over het project tijdens een verblijf in Parijs, kocht daarna de rechten op het scenario voor 75.000 dollar en ging op zoek naar een regisseur.
Beatty vroeg achtereenvolgens George Stevens, William Wyler, Karel Reisz, John Schlesinger, Brian G. Hutton en Sydney Pollack om de film te regisseren, maar zij weigerden allemaal, waarna Arthur Penn - die eerst ook meermaals weigerde - overtuigd werd.
In het oorspronkelijke scenario was Clyde biseksueel en zou er een driehoeksrelatie zijn tussen Bonnie, Clyde en chauffeur C.W. Moss; scenarist Robert Towne herschreef dit en maakte Clyde in plaats daarvan impotent, waarbij zijn pistool functioneert als een soort pseudo-fallussymbool.
Voor de rol van Bonnie Parker werden onder meer Jane Fonda, Tuesday Weld, Ann-Margret, Sharon Tate, Leslie Caron, Carol Lynley en Sue Lyon overwogen; Tuesday Weld trok zich terug na een zwangerschap en zelfs Cher deed auditie.
Beatty smeekte Natalie Wood om de rol van Bonnie te spelen, maar zij weigerde omdat ze in therapie was en het eerder samenwerken met Beatty als moeilijk had ervaren; uiteindelijk werd de nog vrijwel onbekende Faye Dunaway gekozen nadat Arthur Penn onder de indruk was van haar debuutfilm The Happening.
Gene Wilder maakte in deze film zijn filmdebuut als de ontvoerde Eugene Grizzard.
De rol van Bonnies moeder ging naar Mabel Cavitt, een plaatselijke onderwijzeres uit Red Oak, Texas, die door de filmmakers werd opgemerkt tussen de toeschouwers die de opnames kwamen bekijken.
Beatty wilde de film in zwart-wit opnemen, maar Warner Bros. weigerde dit.
Tijdens de opnames ontstonden voortdurend conflicten tussen Beatty en regisseur Penn, waarbij de filmploeg soms uren moest wachten; een scène waarin Bonnie en Clyde doen alsof ze dood zijn werd na weken discussie uiteindelijk uit het scenario geschrapt.
Bij het filmen van een scène waarin Beatty en Dunaway door een rivier moesten waden, was het zo koud dat de acteurs voortdurend bibberden; de opname van deze scène kostte uiteindelijk drie dagen.
Een onverwachte wolk zorgde voor een schaduw over Faye Dunaways gezicht tijdens een scène; Penn hield deze toevallige opname in de film omdat hij het zag als een symbolische aankondiging van het einde van het gangsterduo.
Kostuumontwerpster Theadora Van Runkle koos voor een glamoureuze stijl met halflange rokken en baretten in plaats van het sombere, versleten beeld dat Dunaway aanvankelijk wilde; de baret werd hierdoor een modehit in de Verenigde Staten.
Bonnie and Clyde was een van de eerste films die uitgebreid gebruikmaakte van squibs, kleine explosieve ladingen met bloedzakjes onder de kleding van acteurs om kogelinslagen te simuleren, ook op het gezicht van Beatty en Dunaway tijdens de beruchte slotscène.
Het instrumentale banjostuk Foggy Mountain Breakdown van Flatt and Scruggs werd door het gebruik in de film wereldberoemd, ondanks dat het anachronistisch is: bluegrassmuziek dateert pas uit het midden van de jaren 1940 terwijl de film zich in de jaren dertig afspeelt.
De weduwe en zoon van de echte Texas Ranger Frank Hamer klaagden Warner Bros. aan wegens laster over zijn vernederende portrettering in de film; de zaak werd in 1971 buiten de rechtbank geschikt.
Blanche Barrow, die het originele scenario had goedgekeurd maar niet de herschreven versie, klaagde na het zien van de film dat ze werd afgeschilderd als 'het achtereind van een schreeuwend varken'.
Criticus Bosley Crowther van The New York Times viel de film hard aan vanwege de gewelddadigheid, maar werd later ontslagen omdat zijn negatieve recensie niet strookte met de publieke opinie; Pauline Kael schreef juist een lovend essay over de film en werd daarna vaste criticus bij The New Yorker.
