C'est dans un restaurant indien de Los Angeles que les scénaristes Ian B. Goldberg et Richard Naing ont rencontré le producteur Eric Garcia pour lui soumettre l'idée du film. Ce dernier se rappelle : "Ils ont commencé par me résumer l'histoire en quelques phrases. Quand on leur amène un cadavre, deux médecins-légistes, un père et son fils, se mettent à pratiquer une autopsie. Dès lors, des phénomènes étranges et inquiétants se produisent dans la morgue."
Durant la phase d'écriture du film, Ian B. Goldberg et Richard Naing se sont inspirés des oeuvres claustrophobes de Roman Polanski à l'image de Le Couteau dans l'eau et Répulsion. Côté aspect visuel de The Jane Doe Identity, André Øvredal revendique avoir eu pour modèle Seven de David Fincher, "un thriller extrêmement vraisemblable", selon lui.
The Jane Doe Identity a été tourné à Londres, les producteurs Fred Berger et Eric Garcia souhaitant donner au film une tonalité européenne.
Martin Sheen avait préalablement été casté pour se glisser dans la peau de Tommy, mais pour des raisons d'emplois du temps, la célèbre tête d'affiche d'Apocalypse Now a dû abandonner le projet. Il a été remplacé par Brian Cox.
Olwen Catherine Kelly incarne Jane Doe, un rôle nécessitant de rester allongé pendant des heures. Pour se préparer à cela, la comédienne a suivi des cours de yoga et de méditation. Elle se souvient : "Je me suis entraînée à la respiration superficielle un peu avant le tournage car on m'avait dit que c'était le meilleur moyen de faire semblant d'être mort. Mais la plupart du temps, je respirais en fonction des prothèses et de ma posture."
L'équipe de tournage n'a pas tourné dans une véritable morgue mais au sein d'un entrepôt de plus de 2 000 mètres carrés à l'est de Londres, qui pour l'occasion a été transformé en morgue. Le chef décorateur Matt Grant explique : "Il y avait tellement de scènes inhabituelles et d'effets spéciaux à prendre en compte qu'il aurait été difficile de tourner en décors naturels."
André Øvredal souhaitait que la morgue de The Jane Doe Identity ne corresponde pas aux habituels codes du cinéma de genre, à savoir gothique et sinistre, mais qu'elle soit plutôt accueillante, confortable et lumineuse. "On s'est dit que si cet endroit avait une allure normale, le spectateur sera d'autant plus mal à l'aise et troublé lorsque surviennent les phénomènes surnaturels", précise Matt Gant.
Pour renforcer le côté crédible du film, Matt Gant a visité des morgues en activité et consulté des photos de la morgue du Los Angeles County, ce qui lui a permis de bien cerner les différences avec les établissements britanniques dans lesquels il s'était rendu.
Pour la table d'autopsie, le chef décorateur Matt Gant a opté pour une table verte du style Art Déco, comme si elle datait des années 20. Il se rappelle : "Je me suis dit qu'elle était sans doute l'un des objets les plus anciens de la morgue familiale et qu'elle avait donc été utilisée successivement par les différentes générations Tilden."
Si le film se déroule principalement dans la morgue, la production a investi deux décors réels : tout d'abord l'extérieur de la morgue, qui a été tourné dans une maison du Kent construite dans un style américain. Ensuite la scène d'ouverture qui se déroule chez les Douglas, conçue dans une impasse dans la petite ville d'Esher dans le Surrey.
Olwen Catherine Kelly a dû porter plusieurs prothèses puisque les médecins légistes ouvrent le corps de Jane Doe lors de l'autopsie. Le maquilleur prosthétique Kristyan Mallett et son équipe ont par ailleurs fabriqué un mannequin à l'effigie d'Olwen conçu comme un jeu de poupées s'emboîtant les unes dans les autres. Il précise : "On devait ensuite l'ouvrir et dévoiler la peau, la chair, les os et les organes, couche après couche, comme un oignon."
A noter la présence dans un rôle secondaire de Michael McElhatton, qui s'est fait connaître du grand public par sa prestation du stratège impitoyabe Roose Bolton dans la série HBO à succès Game of Thrones. A noter que l'acteur s'est récemment illustré dans un autre film d'épouvante : Le Sanctuaire.