Mary Harron travaillait en tant que rédactrice à la télévision lorsqu'elle a entendu parler pour la première fois de Bettie Page en 1993. Elle a alors commencé à se documenter sur la célèbre pin-up, et s'est particulièrement intéressée aux aspects sociaux de son histoire, comme la vision de la religion et du sexe à l'époque des années 50. Etant donné qu'elle n'a pu convaincre ses employeurs de produire une partie du long métrage, le projet est resté en suspens pendant quelques années.
Après une enfance passée à Nashville au sein d'une famille religieuse et conservatrice, Bettie Page qui rêve de devenir actrice de cinéma plie bagages vers New York. Dans un premier temps, elle pose pour des magazines d'art photographique. Mais sa rencontre avec le photographe Irving Klaw, spécialisé dans le cliché sadomasochiste va la propulser au rang de célèbre pin-up. Elle défraie la chronique en posant sur des couvertures de magazines parfois sulfureux, qui connaissent un grand succès. Tombée dans l'oubli, elle est redécouverte dans les années 80 et est aujourd'hui une véritable icône de l'érotisme.
Mary Harron a collaboré avec l'actrice et scénariste Guinevere Turner pour écrire le scénario de The Notorious Bettie Page. Après plusieurs années de collaboration entre les deux femmes, le scénario vit enfin le jour. Pendant ce temps, Mary Harron a réalisé deux films, I Shot Andy Warhol (1996) sur la tentative d'assassinat de l'artiste par Valérie Solanas et American Psycho (2000), adaptation du roman de Bret Easton Ellis.
The Notorious Bettie Page décrit le parcours de Bettie Page vers la célébrité. Mais Mary Harron et Guinevere Turner se sont aussi intéressées aux aspects sociaux et politiques de l'Amérique des années 50. Le sexe faisait alors l'objet d'une attention particulière des sphères politiques, qui voulaient endiguer cette déferlente de sensualité qui inondait alors les magazines. Paradoxalement, les années 50 marquent la période des pin-up telles que Marilyn Monroe, Jane Russell ou Jayne Mansfield.
Mary Harron a voulu recréer l'atmosphère des années 50 dans The Notorious Bettie Page. Elle a travaillé sur la partie esthétique du film en utilisant différents noir et blanc utilisés à cette époque, du technicolor, et même des films tournés en super 8.
Le tournage de The Notorious Bettie Page s'est déroulé à New York et Miami pendant 32 jours.