Pour son cinquième long-métrage, l'acteur et réalisateur Mathieu Amalric adapte un roman policier homonyme de George Simenon. Paru en 1964, son auteur l'a écrit à une vitesse lumière, d'avril à mai 1963. Alors que l'intrigue du récit prenait place dans les années 60, le scénario d'Amalric se déroule, lui, à notre époque.
Si les droits d'adaptation du roman de Georges Simenon étaient encore libres quand Mathieu Amalric s'attacha au projet, ce ne fut pas le premier intéressé. En effet, d'autres réalisateurs comme Maurice Pialat ou encore André Téchiné (qui envisageait de confier un rôle à Catherine Deneuve), étaient attachés au projet. Enfin, selon Mathieu Amalric, Gérard Depardieu aurait même discuté du projet avec Claude Chabrol.
A l'origine, Mathieu Amalric était parti pour adapter un autre roman sur grand écran : "Le Rouge et Le Noir" de Stendhal. Mais le projet s'avérait trop long et coûteux pour l'acteur-réalisateur qui s'est alors tourné vers un autre projet moins ambitieux, un film “simple, rapide, dans l’esprit d’une vraie série B” commente son producteur Paul Branco.
Une des scènes emblématiques de La Chambre bleue a été tournée en novembre 2013 au Palais de justice de Baugé en Anjou, en raison de sa salle d'audience ornée d'une tapisserie de couleur bleue constellée d'abeilles. D'autres scènes relatives aux procès ont pris pour cadre le Tribunal de grande instance de Bobigny.
Le tournage de La Chambre bleue a pris pour cadre les Sables-d'Olonne en Vendée en juillet 2013 mais également les villes de Luché Pringé et La Flèche dans la Sarthe. Pour s'imprégner au mieux de l'univers de l'auteur Georges Simenon, l'équipe du film s'est même installée dans l'hôtel des Roches-Noires situé au coeur de la baie des Sables-d'Olonne. Un établissement où l'écrivain belge a séjourné en 1944.
Mathieu Amalric a tourné La Chambre bleue dans l'urgence, sans obtenir les aides des commissions de financement, droits télévisuels du cinéma français. L'équipe du film a également été réduite, composée d'environ quinze personnes seulement, et Mathieu Amalric a même assuré de son propre chef la distribution. Enfin, le budget du long-métrage est estimé à 1 million d'euros.
John Simenon était présent sur le tournage de La Chambre bleue. Ce dernier s'occupait de la gestion des droits des romans de son père Georges Simenon. Depuis 1930, les oeuvres de l'auteur belge ont été adaptées près de quatre-vingt fois au cinéma et une centaine de fois à la télévision.
Mathieu Amalric a écrit le scénario de La Chambre bleue aux côtés de sa compagne Stéphanie Cléau qui joue également le rôle d'Esther Despierre, une amie d'enfance revenue dans la vie de Julien Gahyde (Mathieu Amalric) et qui entretiendra une relation adultère avec ce dernier, alors suspecté d'avoir tué sa femme Delphine (Léa Drucker).
Si, pour réaliser La Chambre bleue Mathieu Amalric déclare s'être volontairement écarté de "films ennemis" comme La Femme et le pantin de Josef von Sternberg pour le côté vamp et Garde à vue de Claude Miller pour les flash-backs, le cinéaste avait en ligne de mire d'autres longs-métrages qui ont participé à la construction de son adaptation : Nightfall de Jacques Tourneur, Un si doux visage d’Otto Preminger ou encore La Femme d'à côté de François Truffaut.
Mathieu Amalric a opté pour un format d'image 1:33, le format des films muets notamment utilisé par Charles Chaplin, par Gus Van Sant pour Elephant ou plus récemment par Wes Anderson dans The Grand Budapest Hotel. Le cinéaste confie avoir hésité, avec son chef-opérateur, avec le format Cinémascope : "On vit dans une époque où tout est allongé, il n’y a qu’à voir le format des cartes postales qu’on vend désormais. Dès lors, prenons le contrepied. Et puis la sensualité du Cinémascope ne semblait pas convenir à cette relation. On a décidé de privilégier les plans fixes, mais sans religion. Cela peut relever de la blague, mais sincèrement l’esthétique vers laquelle on tendait n’était guère éloignée de celle de "L’Inspecteur Derrick", des choses aussi simples que ça. Pas d’harmonie, plutôt des secousses. Pas de mise en scène ostentatoire, juste pouvoir suivre une histoire, au premier degré."