À l'origine, il était question que Hugh Jackman campe le publicitaire en pleine dépression de Beauté cachée. L'acteur a dû quitter le projet du fait de ses obligations envers Logan (ultime volet des aventures de Wolverine) dont la sortie est annoncée pour mars 2017. Le studio a alors envisagé Johnny Depp, mais c'est finalement Will Smith qui a été choisi.
Naomie Harris et Keira Knightley étaient toutes les deux à l'affiche de Pirates des Caraïbes : Le Secret du coffre maudit et Pirates des Caraïbes : Jusqu'au bout du monde.
Un rôle dans Beauté cachée a été proposé à Rachel McAdams, mais l'actrice a dû décliner la proposition du fait de son engagement sur Doctor Strange. Rooney Mara a elle aussi été sollicitée pour jouer dans le film mais pour des raisons inconnues, elle s'est également désistée. Le réalisateur d'abord pressenti, Alfonso Gomez-Rejon, a quant à lui jeté l'éponge en raison de différends créatifs avec la prodution.
Le casting de Beauté cachée compte deux lauréats aux Oscars, Kate Winslet et Helen Mirren, ainsi que trois nommés, Will Smith, Edward Norton et Keira Knightley.
Le personnage de Keira Knightley, qui représente l'amour, s'appelle Aimee Moore ; un nom probablement inspiré du français, pour "aimer plus".
Le tournage de Beauté cachée s'est déroulé à New York aux mois de février et mars 2016, sur une durée de quarante jours. Si tourner dans l'une des villes les plus importantes du monde est une formidable expérience, elle peut aussi se révéler plus compliquée que prévue ; notamment lorsque des passants interpellent les acteurs pendant leurs prises...
On entendra sur le générique de fin une version inédite de la chanson "Let's Hurt Tonight", interprétée par le groupe OneRepublic, disque de platine et nommé au Grammy.
Le réalisateur David Frankel, à qui l'on doit Le diable s'habille en Prada et Marley & Moi, a été oscarisé pour un court-métrage de fiction, Dear Diary, en 1996.
Pour Edward Norton, Beauté Cachée lorgne du côté des films des années 1930-1940 et lui rappelle les films de Billy Wilder.
L'intrigue de Beauté cachée se déroule à New York pendant les fêtes de Noël : un choix délibéré de la part de David Frankel, pour ajouter un élément de magie et de féérie qui correspond bien à la volonté de faire le bien de la part des amis de Will Smith. Il a donc fallu redécorer les lieux de tournage, qui avait lieu deux mois plus tard, et même convaincre des habitants d'accrocher à nouveau des guirlandes à leurs portes.
Le scénariste Allan Loeb se rendait tous les jours sur le plateau de tournage afin d'ajuster les répliques et situations de chacun des acteurs.
Le casting des personnages de Beauté cachée était particulièrement ouvert ; en effet, il n'y avait pas d'indication physique pour chacun des rôles, tous écrits indépendamment des considérations de sexe, d'âge, etc.
Jeune mère, Keira Knightley pensait faire une pause au moment où le scénario de Beauté cachée lui est parvenu. Elle a transmis le script à sa propre mère afin qu'elle puisse juger de la qualité du projet et la dissuader d'y participer. Celle-ci a appelé sa fille en larmes, arguant qu'elle n'avait pas été aussi touchée par une histoire depuis longtemps.
Jacob Latimore a fait sembler de savoir faire du skateboard pour décrocher le rôle... et a donc dû apprendre rapidement avant le tournage pour ne pas que la supercherie soit révélée.
Helen Mirren souhaitait que son personnage, bien qu'il s'agisse de la Mort, ait un sens de l'humour affirmé afin d'accentuer le sentiment de beauté dans les circonstances les plus difficiles.
Les scènes dans l'entreprise fictive où travaille Will Smith ont été tournées dans les véritables bureaux de l'une des agences de publicité les plus importantes de New York, pendant les week-ends. L'intérieur du bureau de l'acteur a en revanche été reconstruit en studio.
Dans le film, le personnage de Will Smith construit des figures avec des dominos pour se concentrer et vider son esprit. 50 000 dominos ont été installés par trois jeunes prodiges de 15, 17 et 19 ans.