Ayant en tête toutes les dizaines d'adaptations de l'histoire de Jeanne d'Arc déjà existantes au cinéma, Philippe Ramos a décidé de centrer son histoire vers la fin de la vie de Jeanne, en 1430, suite à l'épisode du saut de la tour où la jeune fille se trouvait enfermée. Cela lui permettait, d'après lui, d'enlever à Jeanne d'Arc son armure, ce "costume si puissamment symbolique", afin d'"aller à la rencontre de la jeune femme qui s’y cachait."
Afin de cerner la figure mystérieuse de Jeanne, Philippe Ramos a choisi de confronter la jeune fille aux personnages masculins. D'ailleurs, Ramos définit Jeanne Captive de cette manière : "C'est Jeanne et les Hommes".
Lors du test de Clémence Poésy pour le rôle de Jeanne, Philippe Ramos lui a passé des fers au poignets, l'a mise à genoux et ne lui a demandé qu'une chose : de "parler à Dieu comme elle parlerait à son amant". Le résultat a tellement séduit le réalisateur qu'il a nourri pendant tout le tournage l'obsession de retrouver cette "ouverture vers un abîme, comme le reflet d’une grâce dans laquelle je savais que l’on pourrait voir un signe d’infini…".
Au lieu de choisir des livres historiques sur Jeanne d'Arc, Philippe Ramos a préféré donner à Clémence Poésy deux films comme référence pour construire son personnage. Pour Jeanne enfant, le cinéaste imaginait une figure proche de la petite fille de L' Esprit de la ruche, de Victor Erice, pour son rapport quasi surnaturel à la mort. Jeanne adolescente se rapprocherait plutôt de Mouchette de Robert Bresson, pour sa figure de l'abandon.
Contrairement aux productions très hiérarchisées, marquées par de lourdes organisations techniques, Philippe Ramos a décidé d'assumer tout seul le cadre et la lumière de Jeanne Captive : "C’était décidé, il n’y aurait pas d’autre chef-opérateur que moi. Ce fut une libération", raconte le cinéaste. Cette décision lui a permis de travailler comme il voulait, dans une "liberté totale".
Une des références que Philippe Ramos a donnée à Clémence Poésy était celle de la photographe Francesca Woodman, connue pour ses clichés de femmes seules, abandonnées, dans des pièces vides. L'actrice a décidé à son tour de dessiner des aquarelles à partir des photographies. C'est en regardant ces dessins que le réalisateur fut certain que la comédienne actrice avait bien compris sa démarche.
On ne pourrait pas reprocher à Clémence Poésy de ne pas être une actrice versatile. Tout aussi habituée aux petits films français qu'aux grandes productions internationales, la comédienne a tourné en 2010 dans quatre films radicalement différents. De la personnalité historique de Jeanne Captive, elle a basculé vers l'aventure dans 127 heures, de Danny Boyle, avant d'intégrer l'univers magique d'Harry Potter et les reliques de la mort - partie 1 et Harry Potter et les reliques de la mort - partie 2.
Trois châteaux ont servi de décor pour le tournage de Jeanne Captive. Pour cette histoire dont l'action se déroule surtout à Rouen, l'équipe a tourné des scènes au Château de Pierrefonds, dans l'Oise, au Château de Vincennes, à Paris, et au Château de Blandy-les-Tours, en Seine-et-Marne.