Ce film marque les retrouvailles entre Emma Watson et David Thewlis qui se sont côtoyés durant plusieurs années sur le tournage de la saga Harry Potter.
Le tournage du film a débuté le 15 avril 2014, au Canada, le jour où Emma Watson fêtait son vingt-quatrième anniversaire.
Avec Régression, Alejandro Amenábar revient au long métrage pour le cinéma après le film historique Agora sorti en 2010. Ce nouveau projet permet au réalisateur de se pencher à nouveau sur son genre de prédilection qui a fait toute sa renommée, à savoir le thriller : "Il y a d’abord eu Tesis, un film à suspense qui explorait le pouvoir hypnotique que peut exercer l’horreur, puis Ouvre les yeux qui mettait en scène un univers fantasmatique et fébrile dans lequel le rêve et la réalité coexistent, et enfin Les Autres, avec lequel j’ai essayé de retrouver l’atmosphère des classiques du suspense", avance-t-il.
Même si l’histoire du film est traitée comme un thriller policier, Regression comprend également certains éléments horrifiques. Les influences d'Alejandro Amenábar sont à chercher dans les thrillers et les films d'horreur particulièrement angoissants et novateurs des années 1970, qui ont contribué à façonner le Nouvel Hollywood. Ainsi, le cinéaste avance avoir pris pour modèles L'Exorciste (1973) et Rosemary's Baby (1968).
L’histoire du film prend racine dans des faits divers survenus aux Etats-Unis, dans les années 1980, au sein d'un contexte d’accroissement du pouvoir politique et religieux : "Une série d’évènements réels a nécessité l’intervention conjuguée de la police et de psychologues afin de résoudre l’étrange et terrifiante affaire des abus liés à des rituels sataniques. La vague d’accusations et d’aveux qui a suivi fut sans précédent et a détruit des familles entières, provoqué le chaos et la panique sociale, et dans plusieurs cas de sévères condamnations ont été prononcées. Cela a été très intéressant de se replonger dans ces affaires des années 80 et 90 avec le point du vue du XXIe siècle", explique Alejandro Amenábar.
L’intrigue de Regression se déroule dans une petite ville du Midwest à l’atmosphère angoissante, comprenant de vastes espaces et des maisons éparpillées. Dans un tel contexte, où tout le monde se connait, la culpabilité pouvant être ressentie après avoir commis l'irréparable est encore plus forte.
Campant une jeune femme accusant son père d'avoir commis un crime horrible, Emma Watson explique que son rôle dans Regression est le plus difficile qu’elle ait eu à interpréter dans sa carrière.
Avec un budget de 20 millions de dollars, Regression est le deuxième film le plus cher réalisé par Alejandro Amenábar, loin derrière Agora et ses 70 millions.
L’intrigue de Regression se déroule dans le Minnesota. Alejandro Amenábar explique à quel point cet endroit est, dans la réalité, impeccable physiquement parlant : tout est propre, qu’il s’agisse des rues, des prisons, des commissariats… Un peu comme ce qui est représenté dans le film culte des frères Coen Fargo. Cela étant, pour Regression, l’équipe a voulu casser un peu cette image de propreté : "Le commissariat dans lequel travail Bruce Kenner se trouve dans un bâtiment qu’il partage avec un autre service, tout le monde y est à l’étroit et il y a des fuites. On retrouve la même atmosphère dans la maison de la famille Gray", note le réalisateur.
Dans le but de conférer au film une atmosphère particulière, le directeur de la photographie Daniel Aranyó et Alejandro Amenábar ont tourné les scènes se déroulant à l'extérieur au crépuscule.
Regression constitue le sixième long métrage du réalisateur espagnol Alejandro Amenábar et le troisième tourné en anglais avec une équipe internationale.
Au sujet de la lumière, l'influence du Nouvel Hollywood des années 1970 se fait également sentir dans Regression. Ainsi, des longs métrages comme Verdict de Sidney Lumet, L’Exorciste de William Friedkin ou Conversation Secrète de Francis Ford Coppola ont servi de références à l'équipe tout au long du tournage, pour leur capacité à guider le spectateur de manière aussi subtile qu'élégante.
Parce que Ethan Hawke n’a pu se libérer qu’une semaine avant le début du tournage, très peu de répétitions ont été faites.
La chef costumière Sonia Grande s’est inspirée des oeuvres des artistes Ralph Goings et Richard Estes issus du courant de l’hyperréalisme, pour créer les costumes du film.
A noter la présence au casting du jeune comédien Adam Butcher, qui tenait le rôle principal du film carcéral Dog Pound sorti en 2010.