Après avoir décidé de réaliser un film sur la Gare du Nord, Claire Simon a proposé à trois collaborateurs (Benoît Laborde, Judith Fraggi et John Hulsey) de passer du temps sur les lieux afin de s’imprégner de l’ambiance de la gare et de trouver matière à un scénario. D’abord armés de calepins, les "quatre compagnons d’immersion" ont finalement opté pour des micros et des enregistreurs pour être sûrs de ne manquer aucun élément intéressant. "Ensuite nous avons retranscrit et nous nous sommes lus les textes tous ensemble. C’est à cette étape que l’idée de faire un projet plus grand est apparu, il y avait une telle matière ! La première forme qui m’est venue est le théâtre – la pièce est écrite et répétée mais bute sur des aspects financiers – puis la fiction", explique la réalisatrice.
Avant de tourner Gare du Nord, Claire Simon a réalisé un documentaire à partir des rencontres faites pendant sa période d’immersion. Intitulé "Géographie humaine", il a été présenté hors compétition au Festival de Locarno en même temps que Gare du Nord. La cinéaste a ainsi voulu explorer ce lieu de deux façons différentes : "La gare, comme le réel, excède le film continuellement, et apparaît comme telle dans les deux films et ça, c’est ce qui m’intéresse. Dans le documentaire les gens disparaissaient après quelques mots qui me laissaient deviner leur histoire et dans la fiction, j’ai pu retenir et déployer les histoires des gens qui ont maintenant disparu de la gare."
Après Les Bureaux de Dieu, Gare du Nord est la seconde collaboration de Claire Simon et Nicole Garcia. Cette dernière retrouve également Samir Guesmi avec qui elle a déjà tourné trois films : Bancs publics (2009), Selon Charlie (2005), Betty Fisher et autres histoires (2000).
C’est la première fois que l’actrice québécoise Monia Chokri, découverte dans Les Amours Imaginaires de Xavier Dolan, est à l’affiche d’un film français.
C’est Marc Ribot qui signe la bande-originale de Gare du Nord. Avant même de commencer à tourner, Claire Simon pensait déjà à lui pour la musique de son film. Le compositeur américain a accompagné sur scène de nombreux musiciens tels que Tom Waits et Alain Bashung. La réalisatrice explique son choix : "La guitare électrique me semblait la seule musique qui "rentrait", d’une façon sensuelle, dans la gare, qui dialoguait avec sa beauté, aussi la dimension brutale du lieu."
Si pour Claire Simon, la Gare du Nord est un microcosme permettant de parler de toutes sortes de personnes et de leurs histoires, elle est également une métaphore de notre vie : "On arrive, on traverse, on part : ça correspond au séjour sur Terre. Je pensais toujours à ça, au Jugement dernier, à la Porte des Enfers. Sans l’aspect cauchemardesque de l’Enfer, mais dans l’idée d’un passage, d’une porte vers l’inconnu. La gare est un non-lieu entre la ville et l’ailleurs, et souvent on imagine que les rails sont les rives du Styx."
Pour écrire les personnages de son film, Claire Simon s’est beaucoup appuyée sur la personnalité des acteurs qui allaient les interpréter. "Monia Chokri que j’ai découverte dans les films de Xavier Dolan, n’aimait pas tellement la foule au départ, ce qui correspondait au personnage et tout au long de l’histoire et du tournage, elle s’est laissée atteindre par la gare jusqu’à en devenir le médium… Et j’ai beaucoup tenu avec Reda Kateb à la proximité entre l’acteur et le personnage, curieux, intellectuel, fragile, complexe, qui s’éloigne de certains rôles dans lesquels on a pu le voir", raconte la réalisatrice.
Le personnage de Mathilde, interprété par Nicole Garcia, a été créé tardivement par Claire Simon. Alors que la réalisatrice était à la Gare du Nord en repérage, la vendeuse du magasin Agatha lui a raconté qu’une femme gravement malade venait tous les jours pour acheter des bijoux : "Je n’ai jamais vu cette femme mais le récit de la vendeuse est resté en moi et le personnage de Mathilde s’est mis à exister dans ce sas qu’est la gare, entre chez elle et l’hôpital, la gare devenant pour elle un monde à part entière, et un autre monde, une nouvelle vie."
La réalisatrice de Gare du Nord a tenu à tourner son long-métrage dans des conditions réelles. La SNCF, qui n’avait jamais eu un tournage aussi long, a posé énormément de contraintes, surtout au niveau des horaires. Claire Simon a disposé d’un bureau dans la gare, lui permettant de développer une véritable familiarité des lieux : "On y a fait tout le casting des non professionnels, et puis la production du film pendant la préparation et le tournage. D’une certaine manière, j’ai un peu habité le lieu, en tout cas tissé un rapport très intime avec lui". Afin de pouvoir s’entendre dans cette gare si bruyante, les membres de l’équipe du film ont utilisé des oreillettes. Peu de prises ont été gâchées par les passants mais certaines ont demandé une attention toute particulière : "(…) quand on a fait la scène où le type engueule sa copine, il a fallu dresser un cordon de séparation parce que les gens venaient systématiquement au secours de la fille", raconte la réalisatrice.