Valley of love réunit un très beau couple de cinéma : Gérard Depardieu et Isabelle Huppert, qui n'avaient plus tourné ensemble depuis Loulou de Pialat, en 1980. Ils ont également pour film commun Les Valseuses, dans lequel Isabelle Huppert tenait un petit rôle.
Ryan O'Neal était le premier acteur pressenti pour le rôle principal du film. Le projet devait à l'origine se tourner en langue anglaise.
Isabelle Huppert et Gérard Depardieu incarnent tous les deux des personnages qui portent les mêmes prénoms qu'eux et sont comédiens. La frontière est donc mince entre leur réalité et cette fiction de Guillaume Nicloux. Isabelle Huppert raconte : "Nous parlions, assis dans un café, et tout à coup nous sentions que la caméra tournait et nous rentrions insensiblement dans une forme d’improvisation qui correspondait à la scène. Nous avons cherché à retrouver ce sentiment, même si Guillaume Nicloux disait « Moteur ! », même si ses dialogues étaient très écrits. Son écriture nous le permettait."
Valley of Love est produit par Sylvie Pialat (Les Films du Worso), remarquée avec Timbuktu à Cannes l'année dernière (2014), ainsi que L'Inconnu du lac, sélectionné à Cannes en 2013.
Le tournage du film, certes rapide, a été réalisé avec une température ambiante de 50 degrés et ce en permanence. Cette chaleur est typique de la Vallée de la Mort aux Etats Unis. Isabelle Huppert témoigne : "On savait que le tournage serait rapide et on s’habitue à tout. On s’habitue à cette chose folle d’une température de cinquante degrés, qui ne diminue jamais : il fait cinquante degrés la nuit, il fait cinquante degrés dans la piscine, c’est très curieux. Sauf le dernier jour, il a fait un peu frais le matin."
N'ayant pas tourné ensemble depuis Loulou, Isabelle Huppert et Gérard Depardieu n'ont pourtant rien perdu de leur complicité et de leur aisance à jouer ensemble. Pour Isabelle Huppert, l'important était de matérialiser l'intimité unique de ce couple, tout en dépassant le jeu d'une scène pour arriver à une authenticité des plus réalistes : "La captation de cette intimité très forte entre Gérard et moi. Pour cela, je ne voulais pas qu’il y ait trop de monde sur le plateau. Pour que l’on saisisse aussi la solitude du couple. Avec Gérard, l’intimité est revenue tout de suite. On joue bien ensemble, et il était à mille pour cent dans le film. Pour moi, particulièrement dans ce film, la voix avait beaucoup d’importance. J’avais le sentiment d’être juste quand ma voix était à un endroit très précis, qu’elle trouvait le ton de l’intimité. C’était une question de niveau sonore, un réglage très précis, et je le sentais à l’oreille. Il fallait trouver un grain particulier, qui est le grain de la vérité de ce que nous étions vraiment au moment de nous parler, et non pas en train de jouer des scènes...", avance la comédienne.
Malgré le parallèle évident évoqué par certains journalistes, Gérard Depardieu ne voit pas de lien possible entre le couple que lui et Isabelle Huppert formaient dans Loulou et celui qu'ils jouent aujourd'hui dans Valley of Love. Il raconte : "Ce n’est pas un couple, ce sont des gens qui se retrouvent trente ans après. Il n’y a rien d’un couple là-dedans, il y a trente ans qui les séparent. (...) Tout ce que je peux dire, c‘est que c’est vrai, c’est du cinéma que j’aime faire."
Valley of Love est présenté en Compétition au Festival de Cannes 2015.
En 2010, Tonie Marshall avait pour projet de réunir Isabelle Huppert et Gérard Depardieu dans Noces de Cristal, un remake de Voici le temps des assassins, un thriller de 1956. Laura Smet devait également faire partie du casting. Pourtant, peu avant le début du tournage, Gérard Depardieu renonça au projet, pour cause de problème de santé (il venait d'avoir un grave accident de moto qui l'avait beaucoup diminué).