L’écriture du film a été motivée par une réflexion des auteurs autour de l’identité. Ce qui intéressait Matthieu Delaporte était "l’inadéquation entre l’être intérieur d’un individu et son être extérieur : comment expliquer qu’on puisse être convaincu de ne pas être ce qu’on donne à voir de soi ? Un illustre inconnu a donc démarré par un questionnement sur la solitude : qu’est-ce que cela représente d’être soi face aux autres ?", explique-t-il.
S'il n'a pas joué dans Le Prénom, Matthieu Kassovitz a en revanche prêté sa voix au personnage principal du film d'animation The Prodigies en 2010, qui fut scénarisé par Matthieu Delaporte et Alexandre De La Patellière.
Le tournage d'Un illustre inconnu a débuté en septembre 2013 et s'est déroulé à Paris et en région parisienne ainsi que dans les Landes.
Matthieu Delaporte et Alexandre De La Patellière se révèlent être très polyvalents, car en plus d’écrire le scénario d'Un illustre inconnu, ils ont endossé d'autres fonctions. Le premier était chargé de la réalisation (contrairement au Prénom, où ils étaient co-réalisateurs) du film, pendant que le second s’occupait de la production et du montage avec Célia Lafitedupont.
La première version du scénario présentait 50 pages de voix-off sur l’histoire du personnage incarné par Mathieu Kassovitz. Les scénaristes ont progressivement diminué cette partie, donnant ainsi plus de mystère au protagoniste. Ils n’ont pas cherché à justifier le comportement de ce dernier car, comme le souligne le réalisateur Matthieu Delaporte : "C’est assez réducteur car, même si on est le fruit de notre histoire, on ne se résume pas à celle-ci : je trouvais plus fort que chacun puisse y mettre du sien et y projeter des choses différentes."
Durant leur travail d’écriture, les auteurs ont été inspirés par des écrivains tels que Romain Gary et Fernando Pessoa, qui s’inscrivent dans la lignée d’une réflexion sur le double.
Durant les 13 semaines de tournage, Mathieu Kassovitz passait quatre heures par jour au maquillage. Le maquilleur, Pierre-Olivier Persin, a travaillé en amont pendant près d’un an avant le début du tournage, pour mettre au point un maquillage capable de transformer le comédien au gré des personnages qu’il incarne.
Matthieu Delaporte a sollicité la même équipe technique que celle avec laquelle il a travaillé sur Le Prénom : "Je trouvais intéressant d’avancer moi-même avec des gens qui connaissaient mon fonctionnement", explique le réalisateur.
Tout le film Un illustre inconnu est raconté à la première personne. Comme le dit Matthieu Delaporte : "Le point de départ était vraiment de dire «je» tout au long du récit et d’écrire l’histoire de quelqu’un qui a l’impression de n’être personne… à la première personne !"
Un illustre inconnu flirte constamment avec le thriller. Le personnage de Matthieu Kassovitz est proche d'un tueur en série qui ne passe jamais à l'acte. Le réalisateur explique : "Je voulais jouer sur tous les codes du serial killer, tout en m’intéressant à un homme incapable de faire le mal."
Le personnage de Matthieu Kassovitz peut être rapproché de grandes figures de la littérature, comme le Docteur Frankenstein, le Docteur Mabuse ou encore Fantômas. Comme l'explique Matthieu Delaporte, "on est constamment à la frontière du merveilleux, sans jamais la franchir" (à l'instar de ces personnages qui flirtent également avec le merveilleux et l'irréel).
Au départ, il était question d'avoir un autre personnage jouer le rôle de Henri de Montalte. Matthieu Delaporte et Alexandre de la Patellière se sont cependant vite rendus compte que cela compliquerait la tâche pour Matthieu Kassovitz, qui aurait alors dû imiter quelqu'un jouant déjà la comédie.
Pour Matthieu Delaporte, "notre intérieur traduit notre intériorité : l’intérieur de quelqu’un raconte son histoire personnelle". C'est pourquoi un grand soin a été apporté aux décors pour qu'ils soient le reflet des deux personnages de Matthieu Kassovitz. Le réalisateur poursuit : "Henri de Montalte croule sous son passé : (...) tout chez lui raconte un homme qui a accumulé des objets et qui est tourné vers son passé. Chez Sébastien Nicolas, (...) on pourrait presque croire qu’il s’agit d’une sorte d’appartement-témoin, (...) Du coup, on a décidé avec Marie Cheminal (la chef-décoratrice) de le dépouiller au maximum."
Henri de Montalte étant violoniste, Matthieu Delaporte a décidé que la musique symphonique appartiendrait uniquement à ce personnage, sans débordement. Ainsi, pour Sébastien Nicolas, le réalisateur a choisi une musique mélodique qui exprime les émotions du personnage, créée par Jérôme Rebotier.