Sur les affiches du film, chaque acteur est représenté par un aliment ou un objet : Charlie Sheen est une banane à moitié épluchée, Bill Murray une bouche qui se lèche la lèvre supérieure, Jason Schwartzman un cornichon, Aubrey Plaza un rouge à lèvres, et Patricia Arquette une grappe de cerises.
Après CQ (2001), Dans la tête de Charles Swan III est le second long-métrage de Roman Coppola en tant que réalisateur.
Roman Coppola est le fils du réalisateur Francis Ford Coppola, et le frère de la réalisatrice Sofia Coppola. Jason Schwartzman est également le cousin du réalisateur, lequel a écrit le rôle du musicien Kirby Star spécialement pour lui ; l'acteur a d'ailleurs joué dans son premier long-métrage, CQ (2001).
Dans la tête de Charlie Swan III n'est pas une histoire d'amour au sens traditionnel du terme, mais plutôt celle d'une rupture, et du moment de confusion qui en découle : "On balance entre amertume et nostalgie sur tous les souvenirs qu’on se remémore, on adore et on déteste la personne en même temps. C’est ce moment précis que j’ai voulu décrire", raconte Roman Coppola.
Charlie Sheen et Roman Coppola se sont rencontrés sur le tournage de Apocalypse Now en 1979, en accompagnant leurs pères respectifs Martin Sheen et Francis Ford Coppola : "Nous avons fait les quatre-cents coups sur les plateaux de tournage aux Philippines, nous étions vraiment très copains. Ce film a fait en partie ce qu’il est et ce que je suis, il est un peu la pierre angulaire de notre amitié", explique Roman Coppola. Dans la tête de Charles Swan III a ainsi permis aux deux amis d'enfance de se retrouver : "Charlie m’a dit quelque chose comme "Mon gars, nos pères ont fait un film, nous devons faire un film ensemble", se souvient le réalisateur, qui poursuit : "J’avais à peine terminé le scénario et son appel du pied aidant, j’ai pris conscience qu’il pourrait être parfait pour le rôle."
Roman Coppola s'est fortement inspiré de l'explosion du graphisme à Los Angeles dans les années 1970 pour l'esthétique et les décors très étudiés de son film. Jusqu'au nom de son personnage principal, directement inspiré du célèbre graphiste Charles White III, dont le réalisateur était admiratif depuis son enfance avant de devenir ami avec lui : "Le nom de mon personnage est autant un clin d’oeil qu’un hommage", confie-t-il.
Dans la tête de Charlie Swan III s'est un temps appelé Rhino, en hommage à une célèbre illustration d'une femme chevauchant un rhinocéros par Mel Ramos, "pour se rappeler qu’il devait garder une liberté et un style non conventionnel". Le réalisateur Roman Coppola explique : "Il y a quelque chose de tellement délirant, osé, ludique et sexy là-dedans. Je voulais cette fibre artistique pour le film."
Si Dans la tête de Charles Swan III n'est que le second long-métrage de Roman Coppola en dix ans, le cinéaste travaille en parallèle sur les films de Wes Anderson, en tant que réalisateur seconde équipe (A bord du Darjeeling Limited, Moonrise Kingdom), ou de sa soeur Sofia Coppola (Virgin Suicides, Lost in Translation), dont il a produit le dernier film The Bling Ring.