Héroïne de La Femme au portrait, Joan Bennett est l'actrice-fétiche de Fritz Lang : elle tourna en 1941 dans Chasse à l'homme, puis retrouvera le cinéaste en 1945 pour Rue rouge et en 1948 pour Le Secret derriere la porte. Dans La Rue rouge, remake de La Chienne de Renoir, elle a de nouveau pour partenaires Edward G. Robinson et Dan Duryea. Signalons également que la comédienne était en 1941 la vedette de Confirm or deny, un film signé Archie Mayo, mais dont certaines scènes furent tournées par Lang, même si le cinéaste allemand n'est pas crédité au générique.
La Femme au portrait est l'adaptation d'un best-seller de J.H. Wallis Once off guard. Dans cet ouvrage, le professeur Wanley n'enseigne pas la psychologie mais l'anglais, mais c'est surtout la fin du récit qui est totalement différente : le livre se termine en effet sur le suicide du Professeur Wanley, alors que, dans le film, le spectateur découvre que cette histoire n'était qu'un rêve.
Nunnally Johnson figure au générique de La Femme au portrait à la fois comme scénariste et producteur. Après avoir débuté comme reporter, Johnson est engagé par la Fox dans les années 30 : c'est lui qui adapte pour John Ford Les Raisins de la colère en 1939. Il passera à la réalisation dans les années 50 (Les Gens de la nuit, L'Homme au complet gris). En 1967, il travaille au scénario des Douze Salopards : ce sera sa dernière contribution.
Dans un livre d'entretiens avec Peter Bogdanovich, Fritz Lang s'explique sur le fameux dénouement de son film, qui, confie-t-il, "donna lieu à un combat homérique avec Nunnally Johnson" : "Vous savez aussi bien que moi que le rêve est un "truc" tellement éculé qu'on ne devrait pratiquement plus oser s'en servir. Mais j'ai eu l'idée -et je crois que cela sauve l'ensemble- de montrer que les personnages du rêve étaient tous des gens que l'homme connaît- mais que nous n'avions pas encore vus- et qui nous sont révélés quand le héros se réveille."
Fritz Lang retrouvera le grand chef-opérateur Milton R. Krasner ( All about Eve, Sept ans de réflexion, Elle et lui) sur son film suivant, Rue rouge.
Pour La Femme au portrait, les compositeurs Hugo Friedhofer et Arthur Lange ont été nommés à l'Oscar de la meilleure musique en 1946.
Tallulah Bankhead avait été pressentie pour jouer le rôle d'Alice.
Le monteur engagé sur le film, Gene Fowler Jr., ayant été appelé sous les drapeaux, c'est Marjorie Fowler, épouse de celui-ci et fille du producteur et scénariste Nunnally Johnson, qui l'a remplacé. Après cette première expérience de montage, Marjorie Fowler travaillera sur une vingtaine de films, dont Elmer Gantry le charlatan.