Cartel est dédié à la mémoire de Tony Scott, le frère du réalisateur Ridley Scott. Tony s'est suicidé en août 2012, et Ridley s'est rendu à Los Angeles à l'annonce de son décès. La production du film a donc été interrompue, et le tournage a repris deux semaines plus tard, le 3 septembre.
Le tournage de Cartel a débuté à la fin du mois de juillet 2012, à Londres. Une partie du film a été tournée en Angleterre, des séquences ont été réalisées à Alicante, en Espagne, et le reste du tournage s'est déroulé aux Etats-Unis, entre le Texas, l'Utah et la Californie.
Bradley Cooper et Jeremy Renner ont été envisagés pour le rôle finalement interprété par Javier Bardem. Idem pour Brad Pitt, qui, lui, joue quand même dans le film. C'est Angelina Jolie qui devait jouer Malkina, mais elle a abandonné le projet, laissant sa place à Cameron Diaz. Natalie Portman a également été pressentie, mais c'est Penélope Cruz qui campe finalement le personnage qu'elle convoitait. A noter que si Angelina Jolie avait figuré au casting de Cartel, deux couples à la ville auraient participé ensemble au film : le couple Jolie/Pitt et le couple Cruz/Bardem (lequel s'est souvent donné la réplique, comme dans Vicky Cristina Barcelona).
Après Prometheus (2012), Cartel signe les retrouvailles du réalisateur Ridley Scott et du comédien Michael Fassbender. L'acteur y incarnait l'androïde David, l'un des personnages principaux du film. Dans Cartel, il endosse le rôle principal de "l'avocat".
Le scénariste Cormac McCarthy signe avec Cartel son premier scénario original. Ecrivain d'origine, il avait déjà vu ses romans portés sur grand écran à travers les films De si jolis chevaux (2000), No Country for Old Men (2007), La Route (2009) et Child of God (2013).
Le héros de Cartel, Michael Fassbender, est "L'avocat" : son nom n'est jamais cité de tout le film. Ce n'est cependant pas une première puisqu'on retrouve le même principe notamment dans Drive (2011) où Ryan Gosling est le "chauffeur" ou encore The Dark Knight (2008) de Christopher Nolan où le Joker n'a aucune identité (contrairement à son homologue dans la version de Batman (1989) de Tim Burton qui s'appelle Jack Napier).
Plus de vingt ans après avoir révélé Brad Pitt au public à travers le personnage de J.D., l'autostoppeur de Thelma et Louise (1991), le réalisateur Ridley Scott le retrouve enfin dans un rôle plus important avec Cartel.
Le metteur en scène Ridley Scott aime visiblement s'entourer de son équipe d'habitués. C'est la huitième fois, avec Cartel, qu'il réalise un film aux côtés de la chef costumière Janty Yates et la neuvième fois avec le chef décorateur Arthur Max et le chef monteur Pietro Scalia.
Depuis Inglorious Basterds (2011) de Quentin Tarantino, Michael Fassbender et Brad Pitt ne se quittent plus. Les deux comédiens se retrouvent alors une fois de plus dans Cartel avant de partager une nouvelle fois l'affiche en 2014 de 12 Years a Slave de Steve McQueen.
Afin de rendre le personnage de Cameron Diaz encore plus dominant, le guépard a été choisi pour être son animal de prédilection. La comédienne partage régulièrement l'écran avec deux véritables guépards et porte dans le dos un immense tatouage de l'animal. L'actrice explique : "Le guépard représente le chasseur dans toute sa pureté, c’est ce qui lui correspond et ce qu’elle adore."
Javier Bardem devient un habitué de l'univers du scénariste de Cartel, Cormac McCarthy, puisqu'il avait joué dans l'adaptation de l'un de ses romans, No Country For Old Men (2009) des frères Joel et Ethan Coen où il incarnait le meurtrier mémorable Anton Chigurh.
L'un des défis pour le chef décorateur Arthur Max a été de devoir tourner au même moment que les J.O. 2012 et les célébrations du 60ème anniversaire du couronnement de la Reine Elizabeth II. La ville en effervescence et des restrictions à plusieurs endroits importants ont compliqué les choses, d'autant qu'il fallait transformer des endroits de Londres pour les faire passer en lieux texans, selon les repérages effectués en amont du tournage.
Afin de recréer la frontière Mexique-Texas, l'équipe de tournage s'est rendue au Parc Naturel de Bardenas en Espagne et ce malgré les avertissements donnés à la production au sujet des tempêtes fréquentes dans cette région. Tempêtes qui n'ont visiblement pas perturbé Ridley Scott, qui a décidé de les utiliser dans le film. Le parc était également proche d'une base militaire qui aurait pu gêner le tournage à cause de ses entrainements de tirs, ce que le réalisateur a de nouveau décidé d'utiliser pour Cartel pour traduire l'ambiance des postes-frontières américano-mexicains.
Le budget du film est estimé à 25 millions de dollars, ce qui n'est pas grand chose comparé à la plupart des autres films que Ridley Scott a réalisés dans sa carrière.
Javier Bardem et Rosie Perez, deux comédiens à l'affiche de Cartel, se sont déjà côtoyés dans le film Perdita Durango (1997) réalisé par Álex de la Iglesia. Ils y incarnaient un couple particulièrement diabolique kidnappant deux jeunes adolescents et les embarquent dans une folle cavalcade vers Las Vegas.