L'idée de ce film est venue à l'esprit d'Alexandre Aja et de Grégory Levasseur lorsque ces derniers ont lu un article sur une femme à Paris qui avait été piégée et terrorisée dans un parking.
2ème sous-sol est le premier film de Franck Khalfoun. Le réalisateur Alexandre Aja, ici producteur, l'avait dirigé en tant qu'acteur sur Haute tension, et était convaincu qu'il était l'homme de la situation pour mettre en scène 2ème sous-sol. Alexandre Aja commente : "Grégory Levasseur, mon coscénariste et partenaire de longue date, et moi avions déjà exploré un territoire similaire à celui de 2ème sous-sol dans notre film Haute tension. Nous avons pensé que ce serait mieux si quelqu'un d'autre réalisait 2ème sous-sol. Nous avions déjà travaillé avec Franck en tant qu'acteur sur Haute tension, et nous savions qu'il pourrait apporter de nouvelles idées et que nous pourrions l'aider sur le tournage par notre expérience au niveau des aspects techniques de la réalisation."
Le réalisateur Franck Khalfoun fait ici une apparition clin d'oeil en présentateur télé.
Les participants de P2 sont des spécialistes de l'horreur. Le film marque ainsi le retour d'Alexandre Aja, Grégory Levasseur et Frank Khalfoun, respectivement réalisateur, scénariste et monteur sur La Colline a des yeux. La petite Rachel Nichols n'est pas en reste puisqu'elle avait joué dans le non moins horrible Amityville.
2ème sous-sol joue sur notre peur naturelle de se retrouver seul dans le noir. Le producteur Alexandre Aja s'en explique : "Exactement comme Les Dents de la mer faisait remonter à la surface notre peur latente de l'eau, le but de 2ème sous-sol était de réveiller la terreur d'être piégé dans un endroit sombre, comme un parking souterrain, où personne ne peut vous trouver ni vous aider."
Pour le directeur de la photographie Maxime Alexandre qui avait déjà éclairé Haute tension pour Alexandre Aja, la création des différents niveaux de suspense reposait sur la mise en lumière. Il se souvient : "Pour la première fois de ma carrière, je travaillais dans un seul et même endroit pour le déroulement de toute l'histoire. Puisque nous ne pouvions utiliser que des variations de lumière pour représenter les différents niveaux du parking, nous avons découpé le script en trois parties. Dans la première, l'éclairage est très fort et Angela se sent en sécurité. Dans la deuxième, Angela se retrouve dans l'obscurité complète, excepté quelques lumières de sécurité. Dans la troisième partie, après la grande scène entre Angela et Thomas, l'intensité des lumières est quelque part entre les deux premières parties. L'idée était de faire monter la pression petit à petit sans que le public s'en aperçoive".
D'après le réalisateur, le principal trait de caractère de son héroïne est son intelligence. Franck Khalfoun explique ainsi le choix de son actrice principale, Rachel Nichols : "Rachel a été prise parce qu'elle est intelligente, et qu'Angela est une femme intelligente. Elle ne prend jamais une décision stupide comme le font tant de personnages féminins dans les films d'horreur et les thrillers".
Selon les cinéastes, les couloirs labyrinthiques de 2ème sous-sol reflètent les peurs des deux personnages principaux. Celle d'Angela est de se retrouver piégée dans cette obscurité menaçante et d'être incapable de s'enfuir, alors que la peur de Thomas est de rester seul dans ce parking, privé de la compagnie d'un autre être humain et d'amour.
2ème sous-sol nécessita 14 robes identiques pour l'héroïne campée par Rachel Nichols et le recours à trois chiens pour figurer le rottweiler de Thomas.
Le tournage dura deux mois, à compter d'août 2006, et se déroula essentiellement la nuit dans un parking souterrain de Toronto, au Canada.
Wes Bentley n'était pas le premier choix d'Alexandre Aja pour le rôle de Thomas, le gardien de parking. Le cinéaste producteur avait d'abord pensé à Andy Serkis pour ce personnage terrifiant.