2015年末、トム・ハーディ、ケネス・ブラナー、マーク・ライランスに、アンサンブルの助演キャラクターとしての出演交渉が行われた[20][21]。2016年3月、フィン・ホワイトヘッドが主役の1人としてキャスティングされ[22]、その直後にジャック・ロウデン、アナイリン・バーナード、ワン・ダイレクションのハリー・スタイルズ[23][24]、翌月にキリアン・マーフィー[25]、さらに5月にジェームズ・ダーシー、バリー・コーガン、トム・グリン＝カーニーが加わった[26][27]。ダンケルク撤退に、若く未熟な兵士たちが係わっていたことを知ったノーランは、浜辺の場面には若手の無名俳優起用を決めていた[28][29]。
撮影撮影にはフランス海軍駆逐艦マイレ＝ブレゼが使われた。

主要撮影は2016年5月23日にフランスのダンケルクで始まり[nb 4]、翌月にはオランダのユルク[nb 5][32]、イギリスのドーセットのスワネージ（英語版）とウェイマス[33]、アメリカ合衆国カリフォルニア州ランチョパロスベルデスのポイント・ビンセント・インタープリティブ・センターと灯台（英語版）で行われた[34][35][nb 6]。ダンケルクでの撮影は史実の撤退作戦と同じ場所で行われた[37]。撮影中は6000余りのエキストラが使われた[38]。