Le film s’inspire de faits réels. En effet, Cristian Mungiu se souvient qu’en 2005, une jeune nonne était morte suite à un exorcisme dans un couvent en Moldavie. Le prêtre, qui l'avait séquestrée et privée d'eau et de nourriture, avait été condamné par la justice à 7 ans de prison et excommunié de l'église orthodoxe. Cet évènement ayant fait la une des journaux, la pratique de l'exorcisme a été interdite par la suite. Cependant, de nombreuses vidéos sur internet prouvent que des exorcismes ont encore lieu.
Le scénario, écrit par Cristian Mungiu, repose sur sa lecture des "romans non fictionnels" écrits par Tatiana Niculescu Bran. Cette dernière a enquêté sur l’incident de 2005 et a publié deux livres : l’un sur les faits et l’autre sur le procès qui en a découlé. Il s’agit d’une des premières publications de ce genre en Roumanie. L’auteure et le cinéaste se sont rencontrés en 2007 à New York, à l’occasion d’une pièce inspirée du même fait divers.
C’est le ton neutre et journalistique des livres de Tatiana Niculescu Bran qui a séduit le réalisateur. Il a voulu s’éloigner le plus possible de l’histoire initiale tout en déclarant avoir "respecté l’esprit des livres (...)". Le cinéaste explique ainsi : "(...) je n’ai pas été catégorique dans mes jugements et je n’ai pas essayé d’identifier les coupables – mais j’ai appliqué ce principe à une histoire fictionnelle, à laquelle je me suis senti libre d’ajouter des couches de signification que l’histoire réelle n’avait pas pour moi."
Cristian Mungiu est un habitué du festival de Cannes, puisque Au-delà des collines est son troisième long métrage en compétition après Occident en 2001 et 4 mois, 3 semaines, 2 jours, pour lequel il avait reçu la Palme d’or en 2007.
Le choix de la distribution s’est organisé assez rapidement. Cristian Mungiu a ainsi arrêté son choix sur des natifs de la Moldavie roumaine, où la langue se parle avec un fort accent, pour donner plus de réalisme à son histoire. Pour le rôle du prêtre, il a tout de suite pensé à Valeriu Andriuta, rencontré pendant ses études. Il raconte : "Je l’ai appelé bien avant d’avoir décidé de faire le film et je lui ai demandé s’il pouvait se laisser pousser la barbe. Plus les mois passaient et plus sa barbe poussait, plus je savais que c’était avec lui que je devais travailler."
Les deux actrices principales du film, Cristina Flutur et Cosmina Stratan, ont reçu le prix d’interprétation féminine au Festival de Cannes 2012, respectivement pour les rôles d’Alina et de Voichiţa.
Valeriu Andriuta a joué dans tous les courts métrages de Cristian Mungiu alors qu’il était encore à l’école de cinéma de Bucarest et dans son premier long métrage, Occident, en 2001. Depuis quelques années, l’acteur a décidé d’arrêter sa carrière, mais par amitié pour le réalisateur, il accepté de jouer dans Au-delà des collines. Il s'agit de leur dixième collaboration.
Pour Cosmina Stratan et Cristina Flutur, il s’agit du premier tournage sur un long métrage. Coup d’essai réussi, puisqu’elles ont toutes les deux été récompensées à Cannes !
L’histoire et le scénario ont été difficiles à mettre en place dans l’esprit de Cristian Mungiu, au point de mettre en péril le projet. C’est donc étape par étape qu’il a conçu son film. Il raconte : "Je me suis dit : "D’abord, nous devons avoir un scénario et après nous décidons". Puis : "Voyons quelques acteurs, tournons quelques scènes et ainsi de suite". Maintenant, nous avons un film terminé, mais je n’ai pas encore trouvé ma réponse."
Oleg Mutu avait déjà travaillé avec Cristian Mungiu en 2007 sur 4 mois, 3 semaines, 2 jours. Cette année, en plus de Au-delà des collines, il a travaillé sur un autre film en compétition à Cannes : Dans la brume de Sergei Loznitsa.
Après le montage final de Au-delà des collines, près de 40 minutes de film ont été coupées. Selon le réalisateur, la difficulté résidait dans le fait que "ce film présente une logique de roman, plutôt qu’une logique cinématographique, dans le sens où des détails et des événements mineurs sont aussi importants que le conflit principal". Ne disposant que de peu de temps, le chef monteur Mircea Olteanu s’est rendu sur le lieu du tournage en travaillant dans une chambre d’hôtel aménagée pour l’occasion. Cristian Mungiu résume : "Donc, nous avons fini à peu près en même temps le tournage et le montage."
L’équipe a construit le couvent et les maisons qui l’entourent à près de 100 kilomètres de Bucarest.
Le tournage du film a débuté durant l’hiver 2011, et s'est achevé en mai 2012. Les conditions de tournage étaient difficiles, puisque les températures pouvaient descendre jusqu’à -15 degrés, et car la lumière n’était présente qu’entre 9 heures du matin et 3 heures de l’après-midi.