Loving a été présenté en Compétition lors du 69e Festival de Cannes. Après Mud et Take Shelter, c'était la troisième fois que Jeff Nichols se rendait sur la Croisette.
Le procès des Loving face à l'État de Virginie a permis à la Cour Suprême d'abolir les lois anti-mariage mixte aux États-Unis. Encore aujourd'hui très important, il est souvent évoqué lors d'affaires contestant le mariage homosexuel.
À la mort de Mildred Loving en 2008, la documentariste Nancy Buirski s'est intéressée au destin hors du commun du couple et a réalisé The Loving Story, dans lequel on peut notamment voir des images d'archive uniques du couple réalisées par une journaliste au milieu des années 1960. Le documentaire a obtenu un Emmy Award en 2013. Jeff Nichols s'en est d'ailleurs inspiré pour son film ; la plupart des dialogues sont notamment extraits du documentaire.
Parmi les producteurs de Loving se trouve Colin Firth, qui était intéressé depuis le début dans l'adaptation du documentaire en long-métrage de fiction et venait de créer sa société de production, Raindog Films, avec Ged Doherty. Les producteurs ont ensuite contacté Jeff Nichols après avoir vu Mud ; si celui-ci ne voulait au départ pas réaliser un film dont il n'était pas l'initiateur, il a finalement changé d'avis, touché par l'histoire d'amour des Loving. Il a souhaité s'attarder davantage sur l'histoire d'amour en elle-même. Deux mois lui ont été nécessaires afin de trouver comment aborder ce nouveau film.
Fait rare au cinéma, la première mouture du scénario écrite par Jeff Nichols est restée inchangée et n'a pas été retravaillée par la suite. "Il était magnifique", se souvient Ged Doherty. "On pouvait visualiser chaque scène et même entrevoir les moments plus contemplatifs. Entre la première mouture, la deuxième et le découpage technique, on a peut-être changé trois mots et deux virgules et corrigé une faute de typo".
Ruth Negga a été choisie pour jouer Mildred Loving bien avant qu'aucune audition n'ait même commencé, à l'automne 2013. La directrice de casting Francine Maisler a insisté pour que Jeff Nichols rencontre l'actrice, qu'il ne connaissait pas : "Quand Ruth Negga est arrivée, je me suis tout de suite aperçu qu’elle était plus menue, mais plus trapue que Mildred Loving surnommée «Brindille»", raconte le réalisateur. "J’étais un peu sceptique… Mais Ruth s’est attaquée à une scène et elle était extraordinaire ! Elle a réussi à exprimer tout ce que nous savions sur Mildred grâce au documentaire. Ce n’était en aucun cas une imitation. Avec Sarah, on s’est dit: « Elle est l’incarnation de Mildred»". Passionnée par l'histoire du couple Loving, Ruth Negga s'était cloîtrée dans sa chambre d'hôtel pendant trois jours pour travailler et ne pas laisser le rôle lui échapper.
C'est sur le tournage de Midnight Special que Jeff Nichols a envisagé Joel Edgerton, avec lequel était née une véritable complicité, pour jouer Richard Loving. "Joel est assez grand et on lui avait quasi entièrement rasé le crâne pour les besoins du film. Je me suis dit qu’il ressemblait plutôt à Richard Loving…", se souvient-il. "Mais ce qui m’intéresse vraiment dans le jeu de Joel, c’est qu’il est capable d’éprouver les émotions qu’il exprime sur son visage, relève le réalisateur. C’était essentiel pour Loving car Richard est un taiseux qui intériorise ses sentiments. Joel a su manifester ces émotions dans son attitude et dans sa posture".
Jeff Nichols était très attaché à rendre Loving le plus authentique et fidèle aux événements possible, jusque dans le choix des acteurs, qui ressemblent pour la plupart aux véritables protagonistes de l'histoire, et dans le choix du lieu de tournage, en Virginie. Le chef-décorateur était ravi de constater que les bâtiments publics de la ville du couple étaient pour la plupart intacts et pouvaient donc être filmés tels quels : "Je ne m’attendais pas à ce que le tribunal soit toujours en fonctionnement et à ce que la prison où Mildred et Richard ont été incarcérés soit toujours là", dit-il. "C’était extraordinaire de tourner dans les rues mêmes que l’on voit sur les photos et les images d’archives des Loving".
La dernière fille en vie des Loving, Peggy, a été consultante sur le tournage du film. Elle a été frappée par la ressemblance physique et la compatibilité des caractères entre les comédiens et ses parents.
Loving marque la cinquième collaboration entre Jeff Nichols et Michael Shannon, après Shotgun Stories, Take Shelter, Mud et Midnight Special.
Les scènes de Washington ont en réalité été tournées à Richmond, en Virginie. C'est d'ailleurs dans cet État qu'a été tourné Loving dans son ensemble.