Le film s’inspire de l’histoire de deux producteurs qui ont organisé en 2006 une série de concerts en faisant remonter sur scène les stars des années 80. La tournée a rencontré un grand succès, le public répondant présent pour entendre à nouveau les grands tubes de l’époque. Des chanteurs comme Jean-Luc Lahaye, Lio ou encore Jeanne Mas ont ainsi accepté de jouer leur propre rôle et de revivre une fois de plus ce come-back.
C’est la première fois que Patrick Timsit et Richard Anconina tournent ensemble. La complicité du duo s’explique par le fait que les deux acteurs se connaissaient à la ville. Anconina déclare en effet : "Nous avons des amis communs, on s’était croisés plusieurs fois en privé, on se connaissait un peu. Et puis j’ai toujours été fan de l’acteur et de ses spectacles. Dans le travail, il est super sérieux, super consciencieux, ce qui ne nous a pas empêché d’avoir des fou rires monumentaux."
Au début du projet, les rôles principaux devaient être tenus par Kad Merad et par José Garcia. C'est finalement Richard Anconina et Patrick Timsit qui incarnent les deux producteurs ayant pour ambition de faire remonter sur scène les anciennes stars des années 80.
Le film qui a révélé Richard Anconina en 1983 est Tchao Pantin avec Coluche. Le réalisateur du film, Claude Berri, n’est autre que le père de Thomas Langmann. Près de 30 ans plus tard, c’est à son tour de diriger l’acteur dans Stars 80. Anconina ne tarit d'ailleurs pas d’éloge à propos du cinéaste puisqu’il le définit comme "un vrai producteur, comme on les voyait dans les années 40 dans le cinéma américain."
Stars 80 devait être le deuxième long métrage de Pascal Bourdiaux après Le Mac (2010). Il a finalement été remplacé par Frédéric Forestier, réalisateur d'Astérix aux Jeux Olympiques (2008) et des Parrains (2004).
C’est le troisième film pour lequel Frédéric Forestier et Thomas Langmann travaillent ensemble après Astérix aux Jeux Olympiques en 2008 et Le Boulet en 2002.
Même si elle joue son propre rôle dans Stars 80, Lio a déjà une filmographie assez conséquente derrière elle. En effet, on a pu la voir à l'affiche de Mariages ! en 2004 et au casting d'Un poison violent et de La Robe du soir de Myriam Aziza en 2010.
Même si le film ne se veut pas moqueur, les chanteurs se sont facilement prêtés au jeu de l’autodérision. Thomas Langmann rapporte que sur le plateau, "ils s’entendaient finalement très bien. Avec l’âge et l’expérience, ils ont acquis une certaine philosophie : ils sont plus dans le plaisir que dans la compétition."
Dans l’un de ses spectacles, Patrick Timsit se moque de la RFM party 80 dont est inspiré le film. Après le tournage, il a témoigné : "Je peux vous dire que les chanteurs me l’ont resservi à toutes les sauces sur le plateau, avec la bonne humeur et le recul qu’ils ont évidemment."
Dès le début du projet, Thomas Langmann a contacté des chanteurs tels que Début de soirée ou Patrick Hernandez. "Ils ont été surpris et en même temps plutôt rassurés que ce soit moi qui aime réellement leurs chansons, qui ai une certaine expérience dans le cinéma, qui les contacte". Le réalisateur et producteur avait déjà pris le parti de faire jouer leurs propres rôles à des célébrités telles que Zinedine Zidane ou Tony Parker dans Astérix aux Jeux Olympiques.
Bruno et Nicolas ont également eu l’idée de faire revivre une star des années 80 dans leur film La Personne aux deux personnes, au détail près qu'il s’agissait d’une star fictive, Gilles Gabriel, interprété par Alain Chabat. Pour la promotion, l’équipe a poussé le canular au point d’organiser de véritables interviews du chanteur et de tourner le clip de son tube "Flou de toi".
A part Lio, aucun des chanteurs présents dans Stars 80 n’avait d’expérience dans la comédie. La direction des acteurs par Thomas Langmann et Frédéric Forestier s’est donc déroulée de façon particulière. Ils ont simplifié la mise en scène en laissant aux artistes une plus grande marge de manœuvre. Après le tournage, Frédéric Forestier juge même que "quelques-uns ont un vrai potentiel !"
Dans l’une des scènes de Stars 80, les chanteurs se retrouvent dans une pizzeria et se mettent tous à chanter ensemble. Dans l’esprit de Thomas Langmann, cette séquence devait être tournée dans une galerie commerciale où tous les clients sortiraient des boutiques et des restaurants pour les rejoindre. Mais "quand on est producteur, on n’a jamais assez d’argent pour faire entièrement ce qu’on veut !", explique Langmann.
Stars 80 est l’occasion pour les deux acteurs principaux de se replonger dans le passé. En 1983, la carrière de Richard Anconina démarrait grâce à Tchao Pantin et Patrick Timsit opérait un changement radical dans sa carrière puisqu’il quittait son poste d’agent immobilier pour intégrer une troupe de théâtre.