C'est en se baladant un 13 septembre 1965 sur la plage de Deauville que Claude Lelouch a eu l'idée d'Un homme et une femme. La vision lointaine d'une très belle femme jouant avec une petite fille a en effet joué le rôle de déclencheur.
Le producteur Pierre Braunberger, sous le coup de la projection désastreuse des Grands moments, ne fut pas ému par cette histoire d'amour que lui raconta avec passion Claude Lelouch. Selon lui, il n'y avait que les James Bond et autres films d'action qui pouvaient remporter les faveurs du public à l'époque, d'où son désengagement du projet.
La première actrice à qui pensa Claude Lelouch pour le rôle d'Anne Gauthier fut Romy Schneider. Malheureusement, sa rencontre avec celle-ci en Normandie se solda par un véritable fiasco. La belle émit de nombreuses critiques sur le réalisateur avant de prendre connaissance de son ébauche de scénario. Ce dernier, refroidi par cette entrevue, lui raconta alors l'intrigue de son projet avec suffisamment peu d'enthousiasme pour être sûr qu'elle n'aurait pas envie de le tourner.
Pour des raisons financières, Claude Lelouch décida de tourner les extérieurs de son film en couleur et les intérieurs en noir et blanc. Il pensait que les futurs spectateurs ignoreraient ces considérations budgétaires et qu'ils verraient dans ce procédé une innovation artistique originale.
Claude Lelouch eut l'idée de faire participer Nicole Croisille à la musique de son film en l'écoutant chanter au piano-bar le Bilboquet, situé rue Saint-Benoît à Paris.
Un homme et une femme marque la première collaboration entre Claude Lelouch et Jean-Louis Trintignant. Tous deux travailleront à nouveau ensemble sur Le Voyou (1970), Viva la vie ! (1984), Partir, revenir (1985) et Un homme et une femme : vingt ans déjà (1986).
Anouk Aimée refusa dans un premier temps de tourner une scène se déroulant dans un bateau, se mettant ainsi Claude Lelouch à dos. Ce dernier pensa même à la remplacer par Annie Girardot qu'il contacta aussitôt après leur querelle. Finalement, le lendemain, Anouk Aimée revint sur sa décision et le tournage put reprendre son cours normal.
Durant le tournage du film, Pierre Barouh et Anouk Aimée tombèrent amoureux au détriment de Claude Lelouch qui avait également un faible pour l'actrice. Cette relation se soldera par un beau mariage.
C'est la première fois que Claude Lelouch dirige Anouk Aimée à l'écran. Ils collaboreront à nouveau ensemble pour les besoins de Si c'était à refaire (1976), Viva la vie ! (1984), Un homme et une femme : vingt ans déjà (1986), Il y a des jours... et des lunes (1990), Hommes, femmes : mode d'emploi (1996) et Une pour toutes (1999).
Un homme et une femme remporta la Palme d'Or au Festival de Cannes en 1966.
Un homme et une femme remporta deux Oscars en 1966 : celui du meilleur film étranger et celui du meilleur scénario. Au total, le film récolte 42 récompenses dans le monde...
Un homme et une femme connut une suite vingt ans plus tard, tout simplement intitulée Un homme et une femme : vingt ans déjà. Jean-Louis Trintignant et Anouk Aimée y reprirent leurs rôles d'amants passionnés.