Michel Serrault explique son engagement dans le film : "J'ai été touché quand j'ai lu le scénario. Mais pour être honnête, c'est ma petite-fille qui m'a convaincu ! Elle a beaucoup aimé cette histoire et m'a dit : "Michel, tu devrais le faire !""
Tourner avec un enfant suppose quelques contraintes. Claire Bouanich se présentait sur le tournage avec sa mère comédienne. Celle-ci lui faisait répéter son texte la veille. La difficulté la plus grande restait la fatigue quand venait le soir. Quelque fois, Claire s'endormait. L'équipe la laissait alors dormir une vingtaine de minutes et une fois réveillée la fillette se remettait au travail avec le sourire.
Philippe Muyl explique comment lui est venue l'idée du film : "J'ai découvert par hasard un site sur Internet consacré aux papillons. Je suis tombé sur un papillon qui s'appelait l'Isabelle et, comme le dit la petite fille dans le film, j'ai pensé que c'était un nom bizarre ! J'ai écrit ce mot sur un post-it qui est resté devant moi pendant deux ans. Et, petit à petit, est née l'histoire de ce collectionneur qui cherche un papillon rarissime."
Pour filmer la scène de la naissance du fameux papillon, Philippe Muyl a fait appel à un entomologiste parisien qui s'est procuré des chrysalides d'Isabelle à l'INRA (Institut National de la Recherche Agronomique). Il avait une date théorique d'éclosion qui n'arrangeait pas le réalisateur, il les a alors mises au réfrigérateur pendant une quinzaine de jours pour ralentir la naissance.
Philippe Muyl s'intéressait au symbolisme du papillon : "Son caractère éphémère et son caractère transformiste qui passe de la chenille à la chrysalide, de la chrysalide au papillon. C'est extraordinaire à observer. C'est la métamorphose de chacun d'entre nous."
Pour le personnage d'Elsa, Philippe Muyl et la production ont auditionné deux cents fillettes parmi lesquelles a été choisie Claire Bouanich. Le réalisateur explique comment il a procédé à la sélection : "Une nature, un personnage, un contact... Je suis assez intuitif avec les enfants. Et puis, il y a des filtres immédiats qui sont l'âge, l'apparence, la justesse spontanée dans le jeu. Après, c'est la personnalité. Donc, le rapport qu'on a avec un enfant, il faut l'établir de personne à personne et non pas d'adulte à enfant. L'enfant le sent. Claire a dépassé de loin mes espérances d'autant qu'il s'agit de son premier film."
Selon Philippe Muyl, dans Le Papillon coexistent deux thèmes : d'un côté, le voeu qu'a fait Julien et la promesse qu'il doit tenir, et de l'autre, le manque d'amour d'Elsa.