2019年4月、レオナルド・ディカプリオと出演交渉中であることが報じられた[16]。しかし、彼との交渉は不調に終わり、6月にはブラッドリー・クーパーと出演交渉を開始した[17]。デル・トロによると、クーパーとはすぐに意気投合したといい、クーパーの自宅で役柄について話し合った時のことについて「私たちは脚本について話し始め、そこから人生の考え方や世界の見方を映し出すようになりました。私たちは奇妙で暗い世界に入り、私自身は悪夢小路に迷い込むことで、世界の見方を変えてしまったのです」と語っている。また、意気投合したのはクーパーに映画監督の経験があったからとも語っている[18]。8月にはケイト・ブランシェットが出演交渉中であると報じられ[19]、9月にはクーパー、ブランシェット、ルーニー・マーラの起用が決まった[20]。同月にはトニ・コレットが起用され、スケジュールの都合で降板したマイケル・シャノンの代わりにデヴィッド・ストラザーンが起用された[21][22]。コレットはデル・トロの才能を高く評価しており、『ナイトメア・アリー』についても「時代劇ドラマ」であり「彼の他の作品とは異なるものになる」と評している[23]。10月にウィレム・デフォーの出演が決まり[24]、11月にはホルト・マッキャラニーが起用された[25]。2020年1月にロン・パールマンとリチャード・ジェンキンスの出演が決まり[26]、2月にはメアリー・スティーンバージェンとロミナ・パワー（タイロン・パワーの娘）の出演が決まった[27][28]。3月にはポール・アンダーソンの出演が決まった[29]。
撮影バッファロー市庁舎

2020年1月からトロントで主要撮影が始まり[30][31]、2月にはバッファローでも撮影が行われた。デル・トロはバッファローをロケ地に選んだ理由について、「観客にとって馴染みがなく、本当に興味を惹かれるような街を探していたのです」と語っており、ナイアガラ・スクエア（英語版）やバッファロー市庁舎で撮影が行われた[32]。

当初の撮影開始は2019年9月の予定だったが、クーパーのスケジュールの都合で延期されていた[33]。