Pour son quinzième film, Anne Fontaine réalise pour la première fois un drame historique. Ce dernier se centre sur des faits peu connus qui se sont déroulés en Pologne durant l’année 1945, à savoir le viol de 25 soeurs dans un couvent puis le meurtre de 20 d'entre elles par les soldats soviétiques. C'est de ce point de départ réel que l'histoire des Innocentes a été développée.
Anne Fontaine s'est lancée dans ce film pour explorer les thématiques de la maternité et de la foi. Pour se familiariser avec le second sujet, elle a fait deux retraites chez les Bénédictines, la même congrégation que celle du film. Lou de Laâge a quant à elle effectué une formation accélérée auprès de sages femmes et d’un chirurgien avant le tournage.
A l'origine, Anne Fontaine ne souhaitait pas choisir la Polonaise Agata Kulesza pour jouer la Mère Abbesse parce que trop jeune pour le rôle. Finalement, la comédienne a insisté pour faire les essais et c'est lors de ces derniers que la cinéaste comprit qu'elle ferait l'affaire pour le personnage.
Agata Buzek, une actrice très reconnue en Pologne, a été repérée par Anne Fontaine dans le film d'action Crazy Joe porté par Jason Statham. La réalisatrice a trouvé qu'elle avait un physique très spirituel qui collerait très bien à son personnage dans Les Innocentes. Pour se glisser dans la peau de Soeur Maria, elle a dû s’acclimater pendant des mois au français raffiné et sophistiqué que parle son personnage. Pour ce, elle écoutait du Victor Hugo chaque soir de tournage.
Les Innocentes a été tourné en Pologne. Comme les couvents polonais ne souhaitaient pas abriter un tournage, Anne Fontaine et la directrice photo Caroline Champetier ont jeté leur dévolu sur un monastère désaffecté où il ne restait que les voûtes et un cimetière. Des pièces à l’intérieur, comme une infirmerie, un réfectoire et une petite chapelle, ont ensuite été construites pour les besoins du tournage.
Lorsque le projet était en phase de développement, il était question que Adèle Haenel campe le personnage principal du film Les Innocentes.
Pour la scène de la césarienne, la première que Lou de Laâge a tournée, la comédienne s’était entraînée sur un porcelet pour pouvoir évaluer sa force à mettre dans l’incision. Elle a aussi répété ces gestes sur un faux ventre en latex avec du faux sang qui jaillissait.
Lou de Laâge trouve dans ce film son premier rôle d'adulte via le personnage de Mathilde Beaulieu, une jeune interne de la Croix-Rouge appelée au secours par une religieuse polonaise. C'est par son point de vue que l'on découvre le monde des religieuses et les événements tragiques qui s’y déroulent. Anne Fontaine explique :
"Elle ne devait pas être mièvre : ne serait-ce que par le métier qu’elle exerce, il fallait qu’elle ait une certaine virilité de caractère. C’est tout le problème de ce genre d’emploi : si l’actrice s’attendrit trop, on arrive à la fin du film avant qu’il soit commencé. (...) L’important était que l’on ressente le questionnement métaphysique qui traverse et modifie le personnage. Comment comprendre le sens de la vie dans un tel chaos ? Comment survivre à la violence qui a aussi fortement marqué les chairs des religieuses polonaises ? Comment juger leur foi, qui semble survivre à une épreuve aussi douloureuse ?"