Avant que Sharon Tate, Patty Duke et Barbara Parkins ne se voient attribuer les trois rôles principaux, les studios de la Twentieth Century Fox pensèrent aux actrices Petula Clark, Raquel Welch, Ann-Margret, Candice Bergen et Jill Ireland.
La Vallée des poupées est adapté d'un roman de Jacqueline Susann, qui a notamment écrit la nouvelle Une Fois ne suffit pas, portée à l'écran par Guy Green en 1975 avec Kirk Douglas dans le rôle principal. Celle-ci fait d'ailleurs une apparition comme journaliste dans le film de Mark Robson.
Judy Garland avait commencé à jouer le rôle de Helen Lawson. Les studios avaient même donné suite à ses exigences en lui procurant une table de billard pour se divertir. Elle fut finalement renvoyée du plateau et remplacée par Susan Hayward. D'autres actrices furent pressenties pour le rôle : Tammy Grimes et Bette Davis.
La Vallée des poupées se situe dans la même veine que Peyton place, précédent long métrage de Mark Robson datant de 1957 et interprété par Lana Turner. Ce film, qui a fait l'objet d'une série télévisée, est d'ailleurs considéré comme la matrice de nombreux soap operas.