Hitchcock a choisi de confier le rôle principal à Sean Connery après avoir visionné avec son scénariste Jay Presson Allen le film James Bond 007 contre Dr. No.
Alfred Hitchcock fut très vite attiré par la notion "d'amour fétichiste" décrite dans le scénario adapté du roman de Winston Graham. Mais il s'opposa rapidement à Evan Hunter, le scénariste en titre du film, qui trouvait la scène du viol beaucoup trop brutale. Le cinéaste décida donc de confier la suite de l'écriture à Jay Presson Allen.
Les prénoms féminins ont toujours eu une grande importance pour Alfred Hitchcock. Ainsi, avec Marion, prénom du personnage féminin de Psychose, et Mélanie, prénom du rôle tenu par Tippi Hedren dans Les Oiseaux, il composera le prénom Marnie, héroïne de Pas de printemps pour Marnie (1964).
Tippi Hedren est la mère de la célèbre actrice Melanie Griffith.
Pour Alfred Hitchcock, seule Grace Kelly pouvait jouer le rôle de Marnie. Bien que la princesse de Monaco avait renoncé au cinéma, il était persuadé que la qualité du sujet la convaincrait. Mais le rôle de kleptomane que lui réservait le réalisateur ne plût guère à la principauté et l'actrice dut renoncer. Hitchcock la remplaça alors par Tippi Hedren qu'il avait précédemment dirigée dans Les Oiseaux (1963).
Après avoir répété quelques scènes avec son partenaire Sean Connery, Tippi Hedren fit remarquer à Alfred Hitchcock : "Marnie est supposée être frigide. Est-ce que vous le voyez?". Ce à quoi le réalisateur répliqua : "Oui, ma chère, cela s'appelle jouer la comédie."
Pas de printemps pour Marnie est le dernier film sur lequel Alfred Hitchcock et son chef opérateur Robert Burks ont travaillé ensemble. Leur collaboration avait commencé en 1951 sur L' inconnu du nord-express et s'est poursuivie avec La Loi du silence (1953), Le Crime était presque parfait et Fenetre sur cour (1954), La Main au collet et Mais qui a tue Harry ? (1955), L' homme qui en savait trop et Le Faux Coupable (1956), Sueurs froides (1958), La Mort aux trousses (1959) et enfin Les Oiseaux (1963).