Si le titre Pupille évoque bien sûr un enfant placé sous la responsabilité de l'État, il renvoie également au regard, comme l'explique la réalisatrice : "Je portais beaucoup d’attention à la place de mon regard d’ailleurs, je me suis demandé tout au long de la réalisation quel était mon point de vue, sur chaque séquence, et comment, et d’où regarder chaque personnage. Et aussi où regardait chaque personnage".
Jeanne Herry a choisi pour son deuxième long métrage de se pencher sur l'adoption et plus précisément sur la période où l'enfant est remis à l'adoption, rarement évoquée au cinéma selon elle. S'il ne s'agit pas d'un sujet qui la touche directement, une de ses amies a adopté un enfant. Cet événement lui a donné envie de se renseigner sur le processus : "Je suis partie dans le Finistère où j’avais un contact. J’y suis allée plusieurs fois et j’ai compris que la tâche de ces travailleurs sociaux était de trouver des parents pour un bébé, pas de trouver un enfant pour des parents en manque : ce fut une révélation. J’ai trouvé des dispositifs de fiction intéressants dans la matière documentaire. Ces séquences de face-à-face, le fait de parler sans arrêt au bébé, car Françoise Dolto est passée par là, tout ce que je découvrais représentait de futures pépites de mise en scène".
Pour certaines scènes, la production a eu recours à des bébés en plastique car la réalisatrice ne souhaitait pas mettre de vrais bébés dans des situations potentiellement traumatisantes : "Comme c’est un film qui met en scène la réceptivité des bébés au langage verbal, il n’était pas question de prendre des risques, de les mettre dans [...] des scènes où ils auraient entendu 'ta mère n’a pas voulu de toi', etc".
Après Elle l'adore, Jeanne Herry tenait à retravailler avec Sandrine Kiberlain qu'elle décrit comme "un double idéal" d'elle-même. Elle précise : "Elle m’inspire énormément. Il y a une rencontre évidente entre les mots que j’écris et la façon qu’elle a de les interpréter. Mais c’est difficile de combler une actrice à laquelle tous les rôles sont proposés…"
Pour le rôle interprété par Gilles Lellouche, la réalisatrice s'est inspirée d'un vrai assistant familial qui exerce en Bretagne. Jeanne Herry a porté son choix sur Lellouche car elle souhaitait "un homme un peu viril, qui a incarné une masculinité crâne au cinéma, c’était l’assurance d’un étonnement pour moi et le spectateur, d’une image forte". De son côté, l'acteur était ravi de se glisser dans la peau de ce personnage : "[...] ce qui me désole c’est lorsqu’on me voit comme un macho ou même un « hétéro-beauf », comme j’ai pu le lire il y a quelques années. Mon personnage dans Pupille était écrit avec une telle bienveillance que je me suis glissé dans un bloc de tendresse et de délicatesse qui ne va pas sans angoisse, sans doute".
Le tournage avec des bébés étant très contraignant car soumis à un lourd contrôle, l'équipe a procédé à un grand casting afin de trouver les heureux élus. Par chance, ces derniers se sont révélés extrêmement faciles sur le plateau, en particulier celui avec lequel tournait Elodie Bouchez. Elle raconte ainsi qu'il lui parlait beaucoup, au point d'empiéter sur son texte durant les prises.