Quand il était jeune, Alix Véronèze écrivait des textes pour tenter de combattre sa timidité. Il a ensuite décidé de les organiser de manière cinématographique, ce qui lui a donné l'idée de réaliser Catherine ou les atomes d'une âme paumée. "La jeunesse est une étape de ma vie qui m’a beaucoup fait peur de par sa violence de vivre, ce qui était contraire à mon éducation religieuse dont j’ai dû me débarrasser plus tard", explique le réalisateur. Avec son film, Alix Véronèze a donc voulu témoigner de cette difficulté psychologique et du manque de confiance que peuvent avoir les jeunes.
Lors de l'écriture du scénario de Catherine ou les atomes d'une âme paumée, Alix Véronèze s'est souvenu de Marion Bovinelli dans son premier long-métrage et a tout de suite trouvé qu'elle correspondait au personnage de Catherine. Le réalisateur l'a alors appelée afin de lui offrir le rôle directement sans passer par la case casting.
Alix Véronèze a tourné son film à la manière d'un documentaire, mais tout en gardant un univers fictif. Afin d'obtenir ce résultat, le réalisateur a choisi comme caméras des Full HD et 2K et la méthode du tourné-monté. C'est-à-dire qu'une fois que des images ont été tournées, elles sont immédiatement montées pour ne pas se mélanger dans l'organisation.
Sur le tournage, les acteurs ont eu beaucoup de liberté dans la mise en scène. Le réalisateur leur donnait en général seulement la situation et ils improvisaient les dialogues. Alix Véronèze était aussi très ouvert aux propositions faites par les comédiens sur leurs personnages.
Alix Véronèze a tourné Catherine ou les atomes d'une âme paumée dans les villes de Bussy Saint-Georges et Champs sur Marne (77) et une partie aux Buttes Chaumont à Paris.
Alix Véronèze a déjà travaillé avec Eriq Ebouaney et Marion Bovinelli avant Catherine ou les atomes d'une âme paumée. Le réalisateur a mis en scène l'acteur en 2006 dans son court-métrage "A la vie, A la...", dans lequel il jouait aussi un médecin. Quant à la jeune femme, elle a fait de la figuration dans son premier long-métrage intitulé "Sentiment Inconnu".
Marion Bovinelli et Manon Gouze se connaissent depuis quelques années puisqu'elles étaient dans la même classe au lycée. C'est d'ailleurs grâce à l'interprète de Catherine que Manon Gouze a eu le rôle de Mélanie dans le film. En effet, Alix Véronèze lui a demandé de trouver une amie à elle pour jouer ce personnage.
Lors du casting, Kadia Ouabi et Tiphanie Hamlat ont postulé pour le même rôle. Alix Véronèze a décidé de les engager toutes les deux et a créé un nouveau personnage spécialement pour Kadia Ouabi.