Gemma Bovery est adapté du roman graphique de l’auteure anglaise Posy Simmonds, à qui l'on doit également Tamara Drewe, adapté sur grand écran en 2010 avec Gemma Arterton dans le rôle principal.
Anne Fontaine, qui connaissait le travail de Posy Simmonds grâce à son roman graphique "Tamara Drewe" (qui fut adapté en long-métrage en 2010), explique pourquoi elle décida d'adapter "Gemma Bovery" : "Le jeu de mot sur un archétype littéraire féminin détourné me semblait prometteur et ludique. Quand j'ai lu le roman, les personnages m'ont intriguée et touchée : j'ai senti leur potentiel comique et leur profondeur humaine, et j'ai été séduite par le ton de l'auteur, entre comédie féroce et formidable ironie. (...) – Emma Bovary – et Gemma Bovery. Ce côté fétichiste m'a semblé extrêmement séduisant pour un futur scénario."
Pour Anne Fontaine, travailler avec Fabrice Luchini était une évidence : "Quand j'ai lu le roman graphique, j'y ai immédiatement superposé Fabrice Luchini, pas seulement en tant qu'interprète, mais comme un être qui a Flaubert dans le sang, au plus profond de lui. (...) je l'ai si souvent entendu parler de Madame Bovary de manière incarnée, j'ai eu le sentiment que ce rôle n'attendait que lui. J'ai donc écrit le scénario en me disant qu'il y avait une probabilité assez forte pour que le personnage lui plaise (...)", raconte-t-elle.
La réalisatrice Anne Fontaine pensa que Gemma Arterton ne serait pas intéressée pour incarner de nouveau un personnage de Posy Simmonds. Elle rencontra donc plusieurs actrices pour ce rôle, jusqu'au jour où Arterton passa le casting : "Dès qu'elle a ouvert la porte et qu'elle m'a lu un petit texte en français qu'elle avait écrit, j'ai compris que j'avais affaire à une bombe atomique : elle dégage une énergie qui fait qu'on ne peut pas ne pas l'aimer. (...) Je n'ai même pas eu besoin de lui faire faire des essais : elle est venue trois mois en France pour s'immerger dans la culture locale avant de travailler le personnage."
Anne Fontaine collabore pour la troisième fois avec le chef opérateur Christophe Beaucarne, à qui elle avait fait appel pour les films Coco avant Chanel et Perfect Mothers : "On a choisi de tourner à un moment de l'année où la campagne normande est la plus belle : c'était d'autant plus important de donner un côté solaire au film que le sujet a une certaine noirceur", précise la réalisatrice.
Le compositeur Bruno Coulais retrouve Anne Fontaine (déjà en collaboration en 2011 sur Mon pire cauchemar) pour Gemma Bovery. Ensemble, ils ont sollicité le groupe britannique Moriarty qui a intégré la bande originale du film.
Fabrice Luchini avait déjà été dirigé par Anne Fontaine sur La Fille de Monaco où il tenait le rôle de l'avocat Bertrand Beauvois aux côtés de Louise Bourgoin. Par ailleurs, la réalisatrice et l'acteur avaient collaboré à la mise en scène d'une pièce de théâtre en 1986. Il explique ce qui l'a stimulé dans le scénario de Gemma Bovery : "J’ai aimé sa singularité. Il ne s’agissait pas d’illustrer le "Madame Bovary", de Flaubert. Mais de multiplier les allers-et-retours entre le roman et la fiction contemporaine. Faire passer Flaubert en contre bande, comme Molière dans Alceste à bicyclette. C’est la même démarche : on va chercher des textes et on les ressuscite dans une autre vie. Anne Fontaine – et d’une certaine façon Posy Simmonds dans sa BD - a eu le génie de ne pas aborder Flaubert de front. Elle prend le complet contrepied de l’adaptation de Chabrol."
Anne Fontaine voulait faire faire un stage dans une boulangerie à Fabrice Luchini (son personnage est boulanger). Ce dernier a tout de suite pensé : "On est chez Stanislavski, là ! Il va falloir qu’elle prenne un autre acteur, parce que je ne vais pas passer quinze jours à regarder un mec en train de faire son pain !". La cinéaste s’est finalement rangée à son avis.