A l'âge de 12 ans, la réalisatrice Catherine Corsini a été renversée par la voiture d'un homme qui a ensuite pris la fuite. Cet accident a été l'élément déclencheur du film.
Pour trouver la forme de Trois Mondes, la réalisatrice s'est inspirée de plusieurs films très différents : "(...) ceux de James Gray, par exemple, mais aussi de Jean-Pierre Melville, ou même de Fassbinder, pour la logique implacable de leur récit", explique-t-elle.
Catherine Corsini a eu l'idée d'inscrire son film dans le présent et dans des questionnements qu'elle jugeait contemporains : "Dans le film, beaucoup de choses tournent autour de l’argent. Est-ce qu’on peut se racheter par l’argent ? Et si oui, combien vaut une faute ? Tout le monde est gangréné par cette question d’argent", explique-t-elle.
Catherine Corsini a voulu inscrire son film dans le genre du film d'action, ce qui lui permettait de traiter différents sujets assez librement : "Je vois et je revois des westerns, les films d’Hitchcock (...) qui sont des films d’action que l’on peut prendre au premier degré, mais où derrière, il y a souvent une dimension morale, des questions d’actualité qui rejoignent des préoccupations métaphysiques sur sa place dans le monde."
C'est la première fois dans sa carrière que la cinéaste fait le choix de tourner en scope : "Je me disais que le décor de la concession était fait pour le scope. La composition des cadres s’est faite tout naturellement, sûrement aussi avec toute la mémoire des films que je venais de voir ou revoir", raconte-t-elle.
Pour bien rentrer dans la peau de son personnage, Raphaël Personnaz a recueilli les témoignages de policiers ayant traité des affaires où une personne s'était enfuie après avoir été la cause d'un accident.
Au départ, le film devait être tourné en numérique, mais après quelques essais, Catherine Corsini et la chef opératrice Claire Mathon ont fait le choix du 35mm.
Pour composer la musique du film, Grégoire Hetzel s'est appuyé sur ce qu'il voyait à l'écran : "On a pensé par thème, par personnage. Il y a le thème du héros, que l'on pourrait qualifier de thème de culpabilité, assez dramatique, puis le thème de Juliette", explique-t-il.
Avec Trois Mondes, c'est justement la troisième fois que Catherine Corsini présente un film au Festival de Cannes après Les Amoureux (1994) et La Répétition (2001).