Martin Valente fait partie de ces réalisateurs qui aiment bien les personnages décalés, à côté de la plaque, des "losers magnifiques", selon ses propres mots. C'est bien ce qu'il avait en tête pour le duo Gérard Jugnot - François Berléand : "J’aime les gens seuls, un peu misanthropes, un peu en dehors du monde, qui essaient soudain de se raccrocher à cette humanité dont ils se sont coupés", explique-t-il.
Le réalisateur Martin Valente voulait retrouver dans son film une tradition qui a toujours eu du succès en France, celle des duos comiques, qui créent, de par l'opposition de leur personnage, la plupart de la charge humoristique d'une comédie. Le cinéaste voyait en Gérard Jugnot et François Berléand deux bons candidats à reproduire le succès de Gérard Depardieu - Pierre Richard, Jean Reno - Christian Clavier, Kad Merad - Olivier Baroux, Bourvil - Louis De Funès, et bien d'autres.
Un jour mon père viendra marque la troisième collaboration entre l'acteur François Berléand et le réalisateur Martin Valente, après Fragile(s) (2007) et Les Amateurs (2004). Sur Berléand, le cinéaste affirme : "On l’a souvent vu dans des rôles d’homme cynique et un peu méchant. Mais il me semble au contraire qu’il n’est jamais aussi bon que lorsqu’il joue quelqu’un de tendre et lunaire. De par son jeu très expressif, souvent assez décalé, fort d’une vraie spontanéité, il est toujours juste mais jamais comme les autres."
Dans Un jour mon père viendra, Gérard Jugnot et François Berléand tournent ensemble pour la deuxième fois après Les Choristes (2003), où ils se côtoyaient dans quelques rares scènes. Cette fois-ci, pourtant, ils sont surtout vus côte à côte, dans la quasi totalité du film.
L'idée de voir la chanteuse Olivia Ruiz en tête d'affiche d'une comédie pourrait surprendre quelques spectateurs, mais pas le réalisateur Martin Valente, ce dernier ayant perçu les capacités de jeu de la jeune femme en regardant ses clips. Il tenait pourtant à effacer l'image populaire de la chanteuse, en modifiant sa coupe de cheveux typique. L'actrice a tout accepté très rapidement, "car elle a une vraie volonté de cinéma", selon Valente.
Olivia Ruiz a été rassurée par la présence des grands acteurs Gérard Jugnot et François Berléand à ses côtés pendant le tournage. Même sa toute première scène, une simple prise où Ruiz devait marcher dans la rue, la stressait. Les deux vétérans ont réussi à la calmer en lui expliquant que ces scènes en extérieur sont, de loin, les plus délicates à tourner.
Même si la chanteuse Olivia Ruiz a une formation de comédienne de théâtre et qu'elle s'est toujours montrée très à l'aise devant la caméra, sa première expérience au cinéma représentait un défi. Parmi les traditionnelles difficultés de débutante, se trouvait celle de contrôler son accent, "qui revenait au galop dès que le rôle me demandait de m’énerver un peu !", se remémore-t-elle en riant. La difficulté d'échanger un baiser avec Jamie Bamber Griffith pendant la scène de mariage constituait également un moment difficile... Ruiz, se définissant comme étant très pudique, lui a demandé de prendre l'initiative, la comédienne n'y arrivant pas d'elle-même.
Le tournage d'Un jour mon père viendra a commencé le 4 août 2010 en Aquitaine et a fini début octobre. A part quelques journées à Bordeaux, la plupart des scènes du film ont été tournées en Périgord Vert.
Un jour mon père viendra a été sélectionné au Festival du film de Sarlat 2011.