Audrey Dana raconte que le scénario lui a été envoyé un mois avant le début du tournage car l'actrice initialement choisie n'a pas pu faire le film. Audrey Dana ajoute : "Je n'avais pas du tout prévu de reprendre le travail car que je venais d'avoir un bébé et j'allais tourner un gros film peu de temps après. J'ai donc lu le scénario, me disant que pour l'accepter, il fallait vraiment qu'il me plaise, et que le rôle soit nouveau par rapport à ceux que j'avais interprétés auparavant. J'ai adoré l'idée, l'époque, le thème, j'ai trouvé cela extrêmement poétique."
Renaud Bertrand explique ses choix d'acteurs principaux : "Jacques Gamblin fait partie de mon univers imaginaire, une évidence. C'est un grand acteur, humble et flamboyant. On se comprend avec peu de mots. Il représente à la perfection ce père fragile et merveilleux qui ne demande qu'à se révéler. Emmanuelle Béart est magique, elle capte l'objectif. Quand elle est là, plus rien n'existe, et c'est ce que l'enfant ressent pour sa mère. C'est comme ça qu'il la voit, et le film est à travers son regard. C'est une actrice honnête, entièrement dévouée à ses rôles, ce qui lui permet d'y entrer avec évidence. Elle est parfois très belle et parfois très éprouvée dans le film ; elle est magnifique. Je savais en lui proposant le rôle qu'elle serait vibrante et juste. Je connaissais Stefano Accorsi à travers plusieurs films que j'avais aimés. Il est l'incarnation de la séduction. Son talent, son intelligence lui permettent de la mettre au service d'un film, d'un personnage. Il fallait ça pour incarner Philippe, sex-symbol de banlieue malgré lui, gentil, sensible et lâche. Audrey Dana est incroyable, je l'avais vue dans deux films où elle fonçait dans ses personnages avec une énergie impressionnante, sans complexe. Derrière ça, on devine une émotion à vif. C'est exactement cet engagement que demandait Michèle, le personnage qu'elle interprète."
Le film s'est tourné au Luxembourg. Renaud Bertrand rapporte : "Je me sentais libre dans ce pays inconnu pour reconstituer l'univers de l'enfant et construire celui du film. On travaillait avec des collaborateurs de plusieurs nationalités, tous très pointus et passionnés. (...) Il y a là-bas une communauté de gens qui aiment le cinéma, qui travaillent dans une ambiance fraternelle, c'est très rassurant."
Renaud Bertrand a rencontré le jeune Nathan Georgelin sur le tournage de la série Sa raison d'être. Le réalisateur raconte : "Je venais de finir d'écrire Nous Trois et j'ai tout de suite compris que c'était lui qui allait interpréter Sébastien. Je le lui ai dit à ce moment-là. Entre temps, il a eu plusieurs propositions pour des rôles principaux mais il les a refusées pour pouvoir faire mon film.".
Dans Nous Trois, les visions imaginaires de l'enfant sont filmées avec une caméra Super 8. Le réalisateur Renaud Bertrand explique : "Quand j'étais enfant, certaines familles se filmaient en super 8. Je trouvais ça magique, très réconfortant. Comme s'ils se considéraient assez importants pour se mettre en scène pour accéder à une forme, même maladroite, de représentation d'eux-mêmes. Le grain du super 8 me ramène à cette émotion, donc aux années 70."
Jacques Gamblin a déjà travaillé avec Renaud Bertrand dans Les Irréductibles (2005), avec Emmanuelle Béart dans L'Enfer (2005) et avec Stefano Accorsi dans Les Brigades du Tigre (2006).