La durée du tournage s’est étalée sur un an et demi. Jean-Michel Bertrand explique qu'il avait besoin de ce temps pour réussir à filmer les loups dans leur milieu naturel et pour rencontrer et installer la confiance avec les personnes (éleveurs, bergers, chasseurs...) qui interviennent dans le film. "À la différence des deux premiers films, je ne suis plus seul, il était important pour moi de faire parler les « acteurs », notamment ceux qui ont une approche positive et réaliste de la présence des loups et aller chercher au plus profond la force émotionnelle qui les anime", déclare-t-il.
Après La Vallée des loups et Marche avec les loups, Jean-Michel Bertrand consacre un troisième film à ces animaux avec Vivre avec les loups.