Michel Ocelot souhaitait faire un film qui se déroule enfin à Paris, lui qui a exploré au cours de ses métrages précédents les continents et les époques. Il a choisi de situer son film à la Belle Époque pour les tenues fabuleuses que portaient alors les femmes mais aussi pour les artistes d'exception qui ont vécu durant cette période, dont Renoir, Rodin, Monet, Picasso, Camille Claudel, Toulouse-Lautrec, Proust, ...
Dilili à Paris se déroule à une époque où les femmes s'émancipent petit à petit et où apparaissent la première avocate, la première femme médecin, la première étudiante à l’université, la première professeure à l’université, etc. Il était important pour Michel Ocelot de célébrer ce changement, d'autant plus qu'il avait à l'origine imaginé un film qui se serait appelé "L'Île des Hommes", "où un naufragé, au début, ne voyait aucune femme, puis les découvrait peu à peu, victimes des hommes de mille manières. Ce n’était qu’un projet, décidément je ne pouvais pas consacrer tout un long métrage à montrer cela, mais cela restait un sujet fondamental à traiter : des hommes font du mal aux femmes et aux filles partout dans le monde".
Michel Ocelot s'est aperçu lors de la préparation de son film qu'il n'y avait que des personnages blancs : "Cela me semblait un appauvrissement pour mon public et moi-même. J’ai cherché dans l’époque quelques personnes plus colorées que les Gaulois. [...] Le premier contact des Parisiens avec des êtres différents fut en fait les « villages indigènes » reconstitués dans des parcs. En lisant les souvenirs de Louise Michel, déportée en Nouvelle Calédonie, j’ai découvert qu’elle s’était intéressée au pays, à ses coutumes, à ses légendes et surtout qu’elle avait continué son métier d’institutrice auprès des petits kanakes (pendant que d’autres déportés ne les traitaient pas bien, heureux de trouver des êtres « en dessous d’eux »). Ainsi, de petits kanakes savaient lire et écrire le français et j’ai imaginé l’un d’eux dans une troupe de ces villages établis à Paris. J’ai fait de cet enfant une petite fille, puisqu’il s’agissait de défendre les petites filles [...]. J’ai en outre ajouté une particularité à l’héroïne, elle est métisse, encore une catégorie qui a souffert, rejetée par les deux côtés."
Michel Ocelot tient à préciser que cette histoire d'enlèvements de petites filles qui ont lieu avec la complicité de la police relève purement de l'imaginaire : "Rien de tel n’a eu lieu à Paris. Incidemment, le mauvais préfet de police est ma plus grave entorse à la vérité historique : le grand préfet Lépine était brillant, audacieux, courageux, passionné. Quand j’ai cerné cette personnalité d’exception, je n’ai su qu’en faire. Il n’aurait fait qu’une bouchée des Mâles-Maitres… Le quatrième personnage inventé, c’est Lebeuf, le faux méchant."
Dilili à Paris relève du même imaginaire de la fin du XIXe-début du XXe siècle qui a nourri les oeuvres de Jules Verne et les feuilletons romanesques comme Les Mystères de Paris d’Eugène Sue. Si Michel Ocelot rejette l'influence du livre de Sue qu'il juge trop sadique, il reconnaît s'être inspiré de Jules Vernes ("J’ai joué avec les portes d’acier, les souterrains, les bateaux mécaniques et électriques, les machines qui font descendre et monter et surgir au milieu d’une rivière…") mais aussi de Victor Hugo pour ses descriptions de Paris.
Les décors du film sont composés de photographies retravaillées de véritables lieux parisiens. Michel Ocelot a procédé à des repérages pendant 4 ans durant lesquels il prenait des photos de la capitale très tôt afin d'avoir une ville presque vide, ce qui permettait de limiter le nombre d'éléments à faire disparaître par la suite de la photo.
"Au début, j’ai surtout choisi ces moments avant les rayons du soleil ou des journées couvertes, pour qu’un éclairage neutre me permette de mettre ensemble des photos prises ici et là. C’était une erreur, Paris est plus beau sculpté par le soleil, et cela valait bien quelques incohérences par ailleurs. J’ai fini par rechercher le soleil il valait mieux être un peu incohérent mais splendide, mais je n’ai pas pu tout refaire…", raconte le réalisateur. S'il a choisi d'intégrer la ville à son film, c'est tout simplement parce que "Paris est magnifique tel qu’il est. Il n’y a pas à le refaire : il n’y a qu’à le prendre en photo."
Pour les besoins de ses repérages, Michel Ocelot a eu accès, à sa grande surprise, à des bâtiments privés, des musées et des lieux publics. Il a ainsi pu se rendre dans les Égouts de Paris, le musée d’Orsay, le musée de l’École de Nancy, le musée Carnavalet, les musées Rodin, le musée du Quai Branly, le musée Marmottan-Monet et l’Opéra de Paris.
Si les personnages de Dilili à Paris sont réalisés en 3D, ils sont toutefois traités avec des traits de contours. Michel Ocelot revient sur ce choix : "J’ai repris à peu près la démarche de Azur et Asmar. Le visage des personnages 3D ne montrait qu’un très discret modelage avec un éclairage de face, de quelque côté que soit la caméra, et les vêtements étaient plats sans ombre ni lumière. C’est un parti pris artificiel et stylisé qui me plaît. Il faut ajouter que c’est très commode et moins coûteux. [...] Dans Dilili, le « léger modelage » est indiqué par des traits de dessin et non par l’esquisse d’ombres. C’était une nécessité parce que le coût de la 3D nous a obligé à faire appel parallèlement à la 2D, moins coûteuse. Cette 2D est obligatoirement dessinée au trait à la main et nous avons établi un trait semblable pour le rendu de l’animation 3D. Ce faux traçage, à partir d’une vraie 3D, est très au point. [...] Tout cela va dans le sens qui me plaît. Je suis franchement gêné par la 3D réaliste, qui ne fait pas rêver."
La cantatrice Nathalie Dessay joue dans le film Emma Calvé, star de son époque connue notamment pour avoir tenu le rôle-titre de Carmen de Georges Bizet. Michel Ocelot revient sur cette rencontre : "elle s’est exclamée :'Je ne chanterai pas Carmen !' Cela prouvait que Madame Dessay connaissait bien l’histoire du bel canto, mais c’était fâcheux, car j’avais besoin qu’on chante Carmen ! Nous nous sommes rencontrés dans un café, nous avons discuté, et puis Natalie Dessay m’a dit : 'Je ferai ce que vous voudrez'. Quel beau moment !"