Amoureux de ma femme est une adaptation de la pièce de Florian Zeller, L'Envers du décor, que Daniel Auteuil a mis en scène et interprété en 2016 aux côtés notamment de Valérie Bonneton, François-Eric Gendron et Pauline Lefèvre.
Avec Amoureux de ma femme, Daniel Auteuil souhaitait aborder la part d'enfance chez l'adulte et sa capacité intacte à rêver : "Rêver nous fait prendre conscience que nous n'avons qu'une vie alors que nous avons l'appétit pour mille. Ce film n'est rien d'autre qu'une fantaisie amoureuse à travers laquelle se diffuse une question à laquelle chacun pourra répondre : que désire-t-on quand on désire l'autre ?"
Amoureux de ma femme est le premier long métrage de Daniel Auteuil qui ne soit pas basé sur l'univers de Marcel Pagnol. Le comédien et réalisateur a en effet porté à l'écran La Fille du puisatier, Marius et Fanny.
Le film marque les retrouvailles entre Daniel Auteuil et Sandrine Kiberlain quinze ans après Après vous... de Pierre Salvadori. Par ailleurs, l'acteur-réalisateur redonne la réplique à Gérard Depardieu pour la 4e fois après Jean de Florette, Le Placard et 36 Quai des Orfèvres.
Amoureux de ma femme offre à l'actrice espagnole Adriana Ugarte, révélée au grand public par Julieta de Pedro Almodovar, son premier rôle en français. Un défi pour la comédienne qui a trouvé "très excitant de devoir jouer pour la première fois dans une autre langue que la mienne."
Daniel Auteuil a confié la bande-originale de son film à Thomas Dutronc. Les deux hommes se connaissaient un peu et se sont croisés par hasard dans la rue alors que le réalisateur faisait des repérages pour le film. Il a alors proposé au musicien de s'occuper de la musique. S'il travaille peu pour le cinéma car c'est "un exercice qui prend beaucoup de temps", Dutronc reconnaît que c'était "une formidable expérience, avec un vrai beau budget de travail pour la musique".
Le processus de composition a dû s'interrompre pendant deux mois après que Dutronc s'est cassé le doigt d'une main : "l'équipe a dû patienter mais nous avions des débuts de thème, la couleur générale de la bande originale et nous avons pu rattraper le temps perdu quand j'ai été guéri."