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Le scénariste J. Michael Straczynski a d'abord entendu parler de l'affaire Christine Collins en 1983 de la part d'une source de la mairie de Los Angeles qui l'a averti que des documents d'archives étaient détruits, y compris les transcriptions des audiences du conseil municipal sur les allocations sociales concernant l'affaire.

Straczynski a passé environ un an à rechercher l'affaire dans les archives criminelles, judiciaires, municipales et de la morgue, rassemblant environ 6 000 pages de documentation avant d'écrire la première version du scénario en seulement 11 jours.

Pour que le film soit crédité comme 'une histoire vraie' plutôt que 'basé sur' une histoire, Straczynski a examiné l'intégralité du scénario avec le département juridique de Universal, en fournissant une attribution historique pour chaque scène.

Ron Howard avait initialement acquis les droits du film et envisageait de le réaliser, mais après s'être engagé sur Frost/Nixon et Angels & Demons, il a dû se retirer ; Howard et Brian Grazer ont alors proposé le projet à Clint Eastwood, qui a accepté de réaliser immédiatement après avoir lu le scénario.

Le titre du film, faisant référence au folklore des contes de fées sur un enfant substitué, n'était destiné par Straczynski qu'à être un titre provisoire en raison de ses connotations surnaturelles, mais il n'a jamais été changé.

Cinq actrices, dont Reese Witherspoon et Hilary Swank, ont brigué le rôle principal, mais Eastwood a choisi Angelina Jolie parce qu'il trouvait que son visage convenait au cadre historique des années 1920.

Jolie était initialement réticente à accepter le rôle car, en tant que mère, elle trouvait le sujet troublant, et elle a finalement basé sa performance sur sa propre mère, décédée en 2007.

Jason Butler Harner a obtenu le rôle de Gordon Stewart Northcott après une seule audition enregistrée, et Eastwood a été frappé par la ressemblance étroite entre Harner et le vrai criminel une fois maquillé.

Eastwood a réalisé le film avec un style extrêmement économe, disant rarement 'moteur' ou 'coupez', limitant les répétitions et les prises, et parlant si bas que l'opérateur caméra Steve Campanelli devait parfois transmettre ses instructions à Jolie.

Pour les scènes au central téléphonique, Jolie a appris à patiner à roulettes en talons hauts, répliquant une pratique documentée de l'époque.

Le tournage principal s'est terminé deux jours avant l'échéance du calendrier de 45 jours, et une grande partie du film a été tournée sur les backlots des Universal Studios et Warner Bros. plutôt que sur les véritables lieux de Los Angeles des années 1920, car la plupart des bâtiments d'origine avaient été démolis.

Pour suivre le rythme de tournage rapide d'Eastwood, l'équipe des effets visuels a largement évité le fond bleu en faveur de la rotoscopie, une technique qu'Eastwood avait également utilisée extensivement sur Flags of Our Fathers.

Les artistes des effets visuels ont utilisé la technologie de capture de mouvement et le logiciel de simulation de foule Massive pour créer des piétons numériques pour les scènes de rues de Los Angeles des années 1920, en capturant deux fois plus de données de mouvement que sur tout projet précédent pour permettre des figurants numériques en gros plan.

Le dernier plan de deux minutes et demie du film, dans lequel Christine Collins s'éloigne dans la foule, ne faisait pas partie de la version projetée à Cannes ; le superviseur des effets visuels Michael Owens l'a ajouté après coup, inspiré par la fin de Chinatown (1974).

Clint Eastwood a composé lui-même la bande sonore du film, influencée par le jazz, qui a été orchestrée et dirigée par Lennie Niehaus.