Masculin Féminin marque la première vraie collaboration entre Jean-Luc Godard et Jean-Pierre Léaud, qui deviendra l'un de ses acteurs fétiches dans neuf de ses futurs films. Le comédien, révélé par Les Quatre cents coups de François Truffaut en 1959, avait tout de même joué dans des films précédents de Godard (Alphaville, une étrange aventure de Lemmy Caution et Pierrot le Fou), mais toujours dans de petits rôles non crédités. Masculin Féminin se révélera être une collaboration fructueuse, l'acteur remportant l'Ours d'Argent au 16e Festival de Berlin en 1966.
Après les couleurs et le ton décomplexé et joyeux de Pierrot le Fou, c'est le retour à Paris, au noir et blanc, au format 1:33 et aux cartons du cinéma muet pour Jean-Luc Godard avec Masculin Féminin. Un choix symbolique puisque le film se passe pendant hiver de l'année 1965, en pleine période électorale, dans un contexte peu propice à la joie.
À la fin du film, Jean-Pierre Léaud, l'interprète de Paul, se fait passer pour le général Doinel. Un nom qu'il a repris au célèbre personnage d'Antoine Doinel, qu'il a incarné dans Les Quatre cents coups de François Truffaut, en 1959.
Ce choix n'est bien évidemment pas anodin, comme l'explique le critique Alain Bergala : "Ce n’est pas seulement l’acteur Léaud que Godard convoque dans son film, mais un personnage en partie emprunté à un autre univers imaginaire, celui de Truffaut, le frère d’armes. Paul est une créature cinéma d’un type nouveau dans Masculin Féminin, un hybride entre l’acteur Jean-Pierre Léaud, le personnage de Paul (dont une partie, on va le voir, vient d’une nouvelle de Maupassant) et Antoine Doinel dont Godard sait bien qu’il fait dé- sormais partie de l’identité même de Jean-Pierre Léaud".
À cause du film suédois vu dans Masculin Féminin, le tournage s'est expatrié au pays d'Ingmar Bergman, et Jean-Luc Godard a même tourné avec des acteurs suédois !
Le tournage de Masculin Féminin a eu lieu du 18 novembre à début décembre 1965, et quelques scènes ont été tournées au sein de la rédaction du premier magazine pour adolescentes édité en France, "Mademoiselle Âge Tendre".
Masculin Féminin a été interdit aux moins de 18 ans lors de sa première sortie en 1966, en raison des thèmes abordés dans le film. On y parle en effet librement de sexualité, d'avortement ou de contraception, sujets sensibles pour l'époque. Un comble pour un film fait avec la jeunesse, comme l'expliquait Godard à la sortie du film : "Ce que j’ai voulu faire, je n’en sais rien. C’est, il me semble, me servir du cinéma pour parler de la jeunesse ou me servir de la jeunesse, je ne sais pas, pour parler du cinéma".
Jean-Luc Godard aimait raconter qu'il avait rencontré Chantal Goya dans les couloirs du magazine Mademoiselle Âge Tendre et aurait eu l'idée de lui proposer le rôle-titre de Masculin Féminin après avoir lu la nouvelle dans les journaux. Rien ne permet d'affirmer la part de vérité et de légende dans cette anecdote.
Jean-Luc Godard s'est inspiré d'une nouvelle de Maupassant, La Femme de Paul. "C’est l’histoire d’un garçon qui est amoureux d’une fille et ça ne marche pas parce que cette fille est amoureuse d’une autre fille. Et finalement ça a dévié comme toujours quand je prends un « mur » sur lequel je me hisse. Ensuite je découvre autre chose et j’oublie le mur qui m’a servi", racontait alors le réalisateur. "Je l’avais lue et puis elle me servait à proposer quelque chose au producteur. Pour avoir une autorisation de tournage, il faut bien donner un résumé de quelque chose. Je me suis dit qu’avec ça je trouverais bien. Il me faut toujours un canevas, un tremplin. Ensuite on regarde où on arrive puis on oublie, on saute du tremplin".
Masculin Féminin marque la première incursion de Chantal Goya au cinéma. On retrouve à la composition de la bande-originale du film Jean-Jacques Debout, son compagnon de l'époque qu'elle épousera au début de l'année 1966, quelques semaines après le tournage, et avec lequel elle partage sa vie encore aujourd'hui.