Dans la tête d'un champion est produit par Partners HealthCare System, l'un des principaux organismes de formation et de recherche médicales aux Etats-Unis. Avec ce film, l'idée était de présenter au public un portrait du cerveau humain par le biais des coureurs du Tour de France. Subventionné par la National Science Foundation et parrainé par Ortho-McNeil Neurologics, le but était aussi de de susciter de nouvelles vocations dans le domaine de la recherche neurologique.
Deux mois avant le départ de la course, une première équipe est partie en repérage sur les 3400 km du tour afin de trouver les bons emplacements de caméra : "Après trois semaines de réparage, raconte Daniel Ferguson, premier assistant réalisateur et co-scénariste du film, nous avons pu soumettre aux organisateurs du Tour les coordonnées GPS correspondant aux endroits où nous avions choisi de placer les caméras. Ils nous ont répondu que vu le nombre de spectateurs qui assistaient au Tour chaque année, on avait intérêt à réserver notre place 96 heures avant le passage des coureurs !"
Près de 60 techniciens ont participé au tournage de Dans la tête d'un champion. En outre, quatre caméras ont été utilisées en tout : deux caméras IMAX, une Iwerks 8/70 mm et une 35mm, tour à tour fixées sur des steadicams, motos, grues ou hélicoptères.
L'autonomie des caméras IMAX 15 utilisée dans le film n'était que de 2 minutes et 45 secondes. Un laps de temps très court qui obligeait les hélicoptères les transportant à faire des haltes régulières pour recharger les batteries.