Après avoir réalisé le court métrage Après Suzanne, présenté au Festival de Cannes en 2016, Félix Moati passe au long avec Deux fils qu'il décrit comme "à la fois vif et langoureux, et j’espère chaleureux ! J’aime l’action nonchalante qui raconte l’illusion de vivre vite, alors que rien ne se passe ! [...] J’aime cet état intermédiaire".
Deux fils met en scène trois générations d'hommes d'une même famille. Félix Moati estime que l'absence maternelle place le trio face à lui-même, jeté sans protection dans le monde. Il ajoute : "Et de manière plus légère, l’absence est une sensation qui m’habite depuis l’enfance. Je me souviens d’une expérience en classe verte, par exemple : j’avais flirté avec une Américaine qui habitait les États-Unis et quand il a fallu rentrer, j’ai su que je ne la reverrais jamais. Cette sensation m’a structuré à vie ! Je savais que cette fille était quelque part dans le monde, mais pas dans le mien".
L'écrivaine Florence Seyvos a prêté main forte à Félix Moati pour l'écriture du film. Fidèle collaboratrice de Noémie Lvovsky, la romancière a notamment co-écrit avec celle-ci Les Sentiments, Camille Redouble et Demain et tous les autres jours. Moati la décrit comme "quelqu’un de doux et de tendre, qui a la malice des grandes intelligences. Son sens de la comédie est immense".
Félix Moati révèle que Woody Allen est le cinéaste qui l'a le plus influencé, et dont il apprécie particulièrement Crimes et délits : "j’aime le mensonge que vend la comédie. Cela m’est très cher, car c’est une marque de délicatesse vis-à-vis des autres, c’est de la pudeur, de l’élégance morale et c’est un bel habit. On ne peut pas vivre sans se mentir ! C’est très allenien, et c’est aussi le principe de la psychanalyse".
Deux fils offre au jeune Mathieu Capella son premier rôle au cinéma. Alors qu'il ne se destinait pas à devenir comédien, il a été découvert lors d'un casting sauvage. "J’ai rencontré énormément de jeunes garçons pour ce rôle et lui est arrivé avec son jeu naturel sidérant… C’est à se demander pourquoi professionnaliser notre métier ! [...] Sur le plateau, il était très attentif et curieux. Il est doté d’une vraie et profonde empathie, ce qui était fondamental pour jouer Ivan", se souvient Félix Moati.
Félix Moati connaissait bien le casting de son film puisqu'il a tourné avec Vincent Lacoste dans Hippocrate et l'a dirigé dans son court métrage Après Suzanne. Il estime que "sa nonchalance concernée" le range aux côtés d'acteurs tels que Bill Murray, Marcello Mastroianni et Michel Piccoli. Moati a également collaboré avec Benoît Poelvoorde dans Le Grand Bain ("Je voulais un comédien dont la légende dépasse la personne qu’il est") et avec Anaïs Demoustier dans À trois on y va, dont il salue la "malice, un rythme de parole rapide, une sensualité innocente".