Pour son dix-huitième long-métrage, le réalisateur Robert Guédiguian retrouve sa bande habituelle d'acteurs : sa compagne Ariane Ascaride, Jean-Pierre Darroussin ou encore Gérard Meylan. Le cinéaste a également fait de nouveau appel à deux jeunes acteurs, Adrien Jolivet et Anaïs Demoustier, qu'il avait dirigés dans son précédent long-métrage, Les Neiges du Kilimandjaro, et Jacques Boudet, aperçu dans Marie-Jo et ses deux amours (2001).
Le tournage d'Au fil d'Ariane s'est déroulé en mai et juin 2013 à Marseille, lieu de tournage favori du cinéaste de l'Estaque (Dieu vomit les tièdes, Marius et Jeannette, A la place du coeur, A l'attaque !, Marie-Jo et ses deux amours, Mon père est ingénieur ou encore plus récemment Les Neiges du Kilimandjaro).
C'est le groupe franco-suisse-argentin Gotan Project qui signe la musique originale d'Au fil d'Ariane. Le groupe de musique se disitngue par son style singulier, mêlant les sonorités du tango aux plages de la musique électronique.
Serge Valletti, qui co-signe le scénario du film, croise de nouveau la route d'Ariane Ascaride qui avait collaboré avec lui en 1992 dans sa pièce de théâtre "Papa". L'actrice avait également lu des textes du scénariste marseillais au théâtre de la Bruyère en 2006.