Aux spectateurs surpris de voir Mélanie Laurent derrière la caméra, la jeune artiste révèle que sa priorité dans le cinéma était, dès le départ, de devenir réalisatrice. Malgré le succès de ses courts-métrages (De moins en moins a été sélectionné au Festival de Cannes), elle considère que "le vrai passage à l’acte, c’est le long métrage". Autrement dit, Les Adoptés représenterait une "suite logique" à sa démarche personnelle.
Un moment a été essentiel à Mélanie Laurent pour décider de s'aventurer dans un long-métrage. Pendant le tournage de Jusqu'à toi, la réalisatrice Jennifer Devoldere et le directeur de la photographie Arnaud Potier ont encouragé la jeune femme à tourner un plan du film, en lui disant "Vas-y, lance-toi, c’est ton plan". Une fois la scène conclue, la comédienne devenue réalisatrice était sûre de vouloir passer au grand format.
Mélanie Laurent a été effrayée par les histoires de ses amis, pour qui dans un premier long-métrage on "ne dort pas, on ne mange pas, ce n'est que du stress, on te pose mille questions par jour et tu n'as pas le temps de réfléchir...". Elle a pourtant été surprise par la facilité de ce tournage, décrit comme "heureux, fluide et joyeux".
Pour les deux rôles principaux de son film, Mélanie Laurent a fait appel à deux amis, Marie Denarnaud et Denis Ménochet. Avec la première, la réalisatrice avait un projet commun d'une pièce de théâtre qui n'a pas abouti, suite aux agendas chargés des comédiennes. Ménochet a rencontré Mélanie Laurent pendant le tournage d'Inglourious Basterds, où il avait pu lire et commenter le scénario des Adoptés.
Pour le rôle du petit Léo, Mélanie Laurent a demandé de l'aide à Coralie Subert, directrice de casting qui avait déjà travaillé avec des enfants dans La Rafle. Après la sélection de plus d'une centaine de jeunes acteurs, la réalisatrice a décidé d'en rencontrer quinze. Lorsque Théodore Maquet-Foucher a passé son test, le garçon a surpris toute l'équipe, en particulier la réalisatrice : "Il était si jeune que j’ai cru qu’il ne pouvait pas connaître son texte, mais il le maîtrisait parfaitement ! Il connaissait même le mien et me reprenait quand je me trompais !". Théodore a tout de suite été choisi pour interpréter Léo.
Malgré les conseils du très expérimenté Luc Besson, pour qui Mélanie Laurent ne devait regarder aucun film pour chercher des références à sa mise en scène, la réalisatrice a quand même fait concession à trois films indépendants qui lui plaisaient, dans des genres très différents : la comédie dramatique Garden State de Zach Braff, l'histoire d'amour aux touches magiques Punch-drunk love - Ivre d'amour de Paul Thomas Anderson et le récit de vampires adolescents Morse, de Tomas Alfredson.
Malgré ce que l'on pourrait penser, Marie Denarnaud ne voit rien de très simple à interpréter un personnage dans le coma : "Pour être cohérente avec l’absence du personnage, je m’efforçais de ne pas être trop présente sur le plateau. J’évitais de me lever du lit entre les prises." Après des heures passées à être allongée, la fatigue avait même provoqué, chez la comédienne, de nombreux fous rires...
Fin 2011, l'acteur Denis Ménochet peut être vu à l'écran dans trois films très distincts : à part le drame Les Adoptés, dans lequel il joue un homme dont l'amie est tombée dans le coma, il interprète un ex-militaire toujours ivre dans la comédie Le Skylab de Julie Delpy, ainsi qu'un soldat dans le film de guerre Forces spéciales.
En 2010, lorsque le projet des Adoptés a été annoncé, le nom de la comédienne Florence Foresti figurait comme une présence assurée dans la production. Dans la version finale, pourtant, c'est une autre humoriste, Audrey Lamy, qui joue le rôle. Sans donner plus de détails, la réalisatrice Mélanie Laurent évoque un "casting compliqué" pour le personnage.
Mélanie Laurent avait proposé à Gilles Lellouche de jouer dans Les Adoptés (très probablement le personnage finalement tenu par Denis Menochet), mais l'acteur n'avait pas pu se libérer à ce moment-là.