Le réalisateur Joseph Morder a commandé à l'artiste Juliette Scwhartz environ 60 toiles peintes, qui ont été ensuite photographiées, agrandies et imprimées sur tissu afin de constituer les décors du film. En effet, aucun décor "réel" n'a été utilisé pour le film.
Le rôle de Nina, grand-mère juive, devait être initialement joué par Jeanne Moreau pour qui il avait été écrit. Mais deux jours avant le tournage, le rôle a finalement été attribué à Alexandra Stewart.
C'est après avoir réalisé le documentaire Mes sept mères, traitant de la déportation, que Joseph Morder a décidé de se concentrer sur La Duchesse de Varsovie. Il voulait trouver un moyen de parler du même sujet (la Shoah), mais sous forme de fiction.
Joseph Morder s'est inspiré du Paris rêvé et fantasmé des comédies musicales hollywoodiennes comme Gigi, Drôle de frimousse ou encore Un Américain à Paris pour établir le décor de son film.
La Duchesse de Varsovie a failli être une comédie musicale. Mais après avoir longtemps réfléchi, Joseph Morder est revenu à son idée première.
On ne voit que quatre acteurs réels dans le film : Alexandra Stewart et Andy Gillet, les personnages principaux (Nina et Valentin) et Rosette et Françoise Michaud que l'on aperçoit dans le film muet. Les autres acteurs recrutés prêtent leur voix à des figurants en carton-pâte.
Habitué des documentaires et des espaces naturels, Joseph Morder a tourné pour la première fois un film entièrement en studio. Il développe : "J’ai trouvé une grande liberté en studio : on contrôle tout et on supprime tous les aléas du décor naturel. Moi qui viens de l’économie de moyens et d’une approche documentaire, j’ai renoué avec ce que j’aimais quand j’étais enfant en Amérique latine."
Juliette Schwartz s'est inspirée de collages photographiques validés par Joseph Morder pour peindre les toiles des décors du film.
Pour réaliser les décors de l'appartement de Nina, l'équipe du film s'est inspirée de grands peintres comme Matisse, Dufy, Bonnard et Vuillard, qui ont peint de nombreux appartements bourgeois. Les décors allient ainsi à la fois une touche impressionniste et la couleur et la lumière des pré-fauves.
Le seul véritable accessoire présent dans le film est le manuscrit des souvenirs de déportation de la mère de Joseph Morder. Tous les autres accessoires sont en carton-pâte.
La Duchesse de Varsovie étant également un hommage à Méliès et aux Frères Lumières, Joseph Morder a privilégié une mise en scène la plus artisanale possible.
Le compositeur Jacques Davidovici s'est inspiré de la musique Madame de… de Max Ophuls et de la comédie musicale Gigi pour créer une musique à la fois grave et légère.
Le père d'Alexandra Stewart a participé à la libération du camp de Bergen-Belsen en avril 1945, où avait été déportée la mère de Joseph Morder.
La scène la plus dure à tourner pour Alexandra Stewart a été celle où Nina se trouve face caméra et récite un long monologue. Elle explique : "Il y avait énormément de textes à apprendre et de détails sur la rafle, le petit frère de Nina, le déroulement précis des événements etc. J’ai donc dû mémoriser par coeur de nombreuses descriptions des lieux et des situations que la mère de Joseph avait traversés en Pologne."
Jouer aux côtés de figurants en carton-pâte a été un véritable défi pour le jeune Andy Gillet. Il développe : "Jouer avec ces silhouettes plates, les rendre vivantes, était chaque jour déstabilisant, mais aussi très excitant."