Le tournage du film n'a pas eu lieu dans le domaine des Collettes, où Renoir a passé les dernières années de sa vie et qui est depuis devenu un musée consacré au peintre, mais dans la région du Var pour conserver la belle lumière du sud de la France.
En matière de films sur le travail de la peinture, Gilles Bourdos a pensé à la démarche de deux cinéastes : "J’avais en tête deux grandes postures opposées : celle de Maurice Pialat (Van Gogh, 1991) qui refuse totalement de filmer le peintre au travail et celle de Vincente Minnelli (La Vie passionnée de Vincent Van Gogh, 1956) qui cite frontalement les situations dépeintes dans les tableaux par la mise en scène". Au final, le cinéaste a choisi de montrer le peintre au travail sans pour autant citer des œuvres de Renoir.
Pour le metteur en scène Gilles Bourdos, il était évident que Michel Bouquet devait interpréter Renoir, en raison des points communs entre les deux hommes : "J’ai trouvé chez Michel la même émouvante obstination au travail que chez Renoir, le même courage face à l’adversité (...) ce qui m’intéressait chez lui, outre l’immense comédien qu’il est, c’est le rapport du "vieux maître" aux jeunes acteurs", explique-t-il.
Pour comprendre qui était Pierre-Auguste Renoir, l'acteur Michel Bouquet a lu plusieurs fois le livre "Pierre-Auguste Renoir, mon père" écrit par Jean Renoir ce qui lui a donné l'impression de ne pas trahir le peintre : "Je me suis senti accompagné par l'être qu'il était", explique l'acteur. Il aussi visionné un court-métrage réalisé par Sacha Guitry, Ceux de chez nous (1914), où apparaît le peintre au travail.
Interpréter le rôle de Jean Renoir pouvait présenter certains pièges pour son jeune acteur, que le cinéaste cherchait à éviter : "Il y avait le risque que Vincent Rottiers s’inspire des prestations de Jean Renoir dans ses propres films, autrement dit celles d’un grand bourgeois qui aimait camper des faubouriens à la limite de la caricature. Je lui ai demandé surtout de s’approprier la situation", explique Gilles Bourdos.
Toutes les peintures présentes dans Renoir ont été réalisées par Guy Ribes, célèbre faussaire qui imitait le style des grands maîtres de la peinture comme Chagall, Picasso ou Matisse. Il fut condamné en 2004 à trois ans de prison et contacté par Gilles Bourdos à sa libération.
Renoir marque la troisième collaboration entre Gilles Bourdos et le compositeur Alexandre Desplat. Auparavant, ils ont travaillé sur Et après (2007) et Inquiétudes (2004). Le réalisateur retrouve aussi le scénariste Michel Spinosa, avec qui il a écrit tous ses films.
A l'origine, c'est Jean-Pierre Marielle qui devait interpréter le rôle de Pierre-Auguste Renoir.
Renoir a été présenté au Festival de Cannes en 2012, dans la section Un certain regard.