La Fille aux deux visages est le premier long métrage de Romain Serir, qui a signé auparavant quatre courts : One Man Show, Ellvis, Lupin 2.0 et La Traversée (co-réalisé avec Florence Guillaume).
La Fille aux deux visages se veut à la fois un film noir, d'horreur et un thriller. L'idée était de réaliser un film avec peu de budget mais avec une liberté totale, à l'instar des Pinku japonais. Parmi les influences qui ont nourri le film, on trouve Quand l'embryon part braconner de Koji Wakamatsu (dans lequel une femme séquestrée est victime puis bourreau de son tortionnaire), Frankenstein de Mary Shelley, Les Yeux sans visage de Franju, Sisters de Brian de Palma, Perfect Blue de Satoshi Kon, mais aussi le cinéma de Richard Fleischer et celui de Kiyoshi Kurosawa.
La Fille au deux visages a été tourné dans un noir et blanc contrasté et dans différents formats. Ainsi, une partie du film (début, flashbacks, fin) est en 1.85 mais la majorité du long métrage est en 1.33, un format "carré" qui permet de représenter l'enfermement progressif du personnage principal, mais également de rappeler le format des films des années 50 et 60. Sont aussi utilisés le split-screen et le triptyque afin de mettre en scène le déchirement intérieur de l'héroïne.