Claude Lelouch a réalisé ce film en utilisant un pseudonyme, celui d'Hervé Picard, une appellation qui fait référence au patronyme de... son ancien entraîneur de tennis. Le cinéaste explique son choix : "Après l'échec de mon dernier film (Le Courage d'aimer), j'ai ressenti ce besoin inconscient de me dissimuler à un moment où je traversais une de mes crises les plus sournoises. L'idée de travailler de façon discrète, sans commentaires, sans pression, sans jugement préalable des autres a commencé à germer dans ma tête, un peu comme ce désir d'être provisoirement un autre que j'avais déjà ressenti à l'époque de Itinéraire d'un enfant gâté."
Claude Lelouch évoque sa vision du film : "Dans Les Parisiens, je faisais dire à Ticky Holgado que les artistes sont les chouchous du Bon Dieu. Roman de gare prolonge un peu cette réplique qui s'adresse à ceux qui aujourd'hui veulent pouvoir exprimer des choses personnelles, les transmettre au plus grand nombre, sans passer par des intermédiaires, à la fois livrer une création, exprimer une ambition. Et en demeurer fier."
Claude Lelouch retrouve ici des comédiens qu'il a déjà eu l'occasion de diriger : Fanny Ardant (Les Uns et les autres, 1981), Dominique Pinon (Partir, revenir, 1985), Michèle Bernier (Les Parisiens, 2004 ; Le Courage d'aimer, 2005) et Myriam Boyer (Viva la vie, 1984).
Dans Roman de gare, le spectateur peut entendre à plusieurs reprises des chansons de Gilbert Bécaud. Claude Lelouch s'en explique : "Dans cet univers d'errance, la présence musicale de Bécaud m'a toujours indiqué la direction à suivre. Elle souligne les droits et les devoirs de ceux qui créent. Ce besoin d'être reconnu pour ce que l'on donne, pas pour ce que l'on est."
Audrey Dana a été remarquée par Claude Lelouch lors du tournage de Nos amis les Terriens, un film de Bernard Werber qu'il a lui-même produit.
A l'origine, c'est Florence Thomassin qui devait interpréter le rôle finalement joué par Michèle Bernier.
Ayant débuté le 12 septembre 2006, le tournage s'est déroulé en région Rhône-Alpes, en Bourgogne, sur la Côte d'Azur et à Paris.
Roman de gare a été présenté au Festival de Cannes 2007 en séance spéciale.