Ce long-métrage sort un peu plus d’un an après la sombre affaire Merah, et même si cette dernière présente plusieurs similitudes avec Voyage sans retour, elle n'est pas une source d'inspiration pour le réalisateur François Gérard : "Le tournage a pris fin bien avant l’affaire Merah. J’ai écrit le scénario il y a dix ans."
Le tournage s’est déroulé dans plusieurs pays comme l’Italie, l’Angleterre, l’Inde ou encore l’Afghanistan. Le metteur en scène François Gérard ne voulait pas "tricher" mais réellement tourner dans les pays concernés : "Aller là où les choses se passent, cela donne un cachet, une authenticité, qui me semble très importante. Quand je vais au cinéma, j’ai envie de voyager, de rêver et c’est ce que j’ai voulu communiquer au spectateur."
La musique tient un rôle très important dans Voyage sans retour, elle est indissociable des images tournées en extérieurs selon la volonté de François Gérard : "La musique donne une dimension épique au film. Pour moi, c’est une question de cohérence. Je voulais que le spectateur en prenne plein les yeux mais aussi plein les oreilles."
Pour son premier jour du tournage, Julien Courbey s’est fait ruer de coups afin de rendre la scène de poursuite plus crédible. L’acteur se confie : "Pour dire vrai je me suis un peu fait mal. Mais bon, c’est le genre de scène où il faut y aller à fond".
Si le cinéaste François Gérard s’est donné le premier rôle, ce n’est certainement pas par mégalomanie : "J’aurais préféré être seulement à la mise en scène. Mais nous avons tourné dans des endroits compliqués et parfois difficiles d’accès. On ne pouvait pas faire prendre de risques à un comédien. Il convient d’être raisonnable. Comme je souhaitais absolument tourner sur les lieux même de l’action dans des décors naturels, j’étais le seul que je pouvais emmener."
Quand François Gérard s’est adressé à Serge Riaboukine pour le rôle du commissaire, le comédien se produisait au théâtre dans Dolores Claiborne et n’était donc pas disponible pour Voyage sans retour. Mais face à la ferveur du réalisateur, l’acteur n’a pas pu résister : "Je m’étais pourtant juré de ne plus tourner en même temps que je jouais au théâtre, mais là je ne pouvais pas refuser."
Plusieurs scènes du film se déroulent en Inde. Le deuxième pays le plus peuplé du monde s’est révélé être un véritable challenge pour le tournage comme le précise l’actrice Marie Vincent : "Il y a je ne sais combien d’habitants au mètre carré, c’est Paris multiplié par trente. On est dans les bruits, dans la trépidation… Et nous, on devait tourner un film au milieu de tout ça. Chaque scène est un pari, chaque plan est un pari."
Réaliser un film sur la radicalisation islamiste est une affaire délicate que le cinéaste ne craint pas d’évoquer : "Même si un sujet est considéré sensible, on doit pouvoir l’aborder. J’expose une violence pour mieux la dénoncer. J’essaye de la comprendre, je recherche ses germes. J’essaye de la comprendre, je recherche ses germes."