Raphaël Nadjari voulait tourner son film dans une ville nord-américaine telle que New York ou Toronto. C'est en se rendant à Montréal qu'il a décidé de tourner en français et d'adapter l'histoire en conséquence, séduit par la place qu'y occupe la musique liturgique. Il a ainsi choisi de faire le récit d’une française exilée à Montréal, mariée à un québécois.
Les acteurs se sont chacun impliqués de manière intensive dans leur rôle, afin de rendre crédible leurs personnages dans le monde de la musique. Par exemple, Géraldine Pailhas et Luc Picard ont pris des cours de chant et de piano pendant plusieurs mois avant le tournage de Mobile Étoile. Ce sont toutefois des professionnels qui prêtent leur talent aux comédiens.
Le tournage s'est déroulé sur un temps très resserré, 27 jours seulement, tandis que les équipes du film devaient composer avec de nombreuses contraintes techniques.
La musique de Mobile Étoile a été entièrement composée par Jérôme Lemonnier en amont du film, avant qu'aucune image ne soit tournée. Elle s'inspire de la musique religieuse classique mais reste une pure création.
Le titre du film Mobile Étoile provient d'une chanson préexistante du compositeur Fernand Halphen. C'est le seul morceau qui n'a pas été composé spécialement pour le film.