Il s'agit du premier film en tant que réalisateur de Gary Dauberman, scénariste spécialisé dans l'horreur puisqu'il a écrit La Nonne, le diptyque Ça et la saga Annabelle, y compris ce troisième volet : "C’était une évolution naturelle et ça me semblait être le bon moment pour sauter le pas. James [Wan] et Peter [Safran] m’ont beaucoup soutenu".
C'est la première fois que les époux Warren apparaissent dans un épisode d'Annabelle. Vera Farmiga et Patrick Wilson reprennent leurs rôles pour la quatrième fois après Conjuring : Les dossiers Warren, Conjuring 2 : Le cas Enfield et La Nonne. Pour les comédiens, c'était l'occasion de montrer une autre facette de leurs personnages en tant que parents attentionnés de Judy. Ils étaient ravis de se retrouver : "j’adore le fait que Patrick puisse faire autant de sourires en une journée" raconte Farmiga. Son partenaire de jeu confie : "C’est très drôle de faire peur à Vera, et surtout c’est facile, ce qui est plutôt appréciable dans un film comme celui-ci. Il faut dire que c’est une des meilleures actrices que je connaisse, un point c’est tout".
Mckenna Grace incarne la fille des époux Warren. On a pu voir cette jeune actrice dans Captain Marvel et les séries Netflix Les Nouvelles aventures de Sabrina et The Haunting of Hill House. Fan de films d'horreur qu'elle regarde avec son père, Grace était enthousiaste à l'idée de participer à Annabelle - La Maison du Mal : "J’ai appris que j’avais le rôle pendant un entrainement de pom-pom girls et j’ai dû m’asseoir pendant toute une minute. Je savais que ce ne serait pas facile parce qu'il allait falloir beaucoup hurler et pleurer… pendant tout le film, en fait. Mais j’étais super heureuse !"
À l'instar des volets précédents, la poupée Annabelle a été conçue par le studio ADI. Trois poupées ont été conçues pour le tournage : deux pour les scènes principales et une troisième pour les cascades. Elles ont toutes été améliorées : elles sont ainsi munies de bras articulés aux coudes et aux poignets et peuvent se tenir debout.
Plusieurs des objets contenus dans la "pièce des souvenirs" des Warren ont été dénichés par la chef-décoratrice Jennifer Spence à Los Angeles chez des brocanteurs et sur des marchés aux puces, comme la télévision, la machine à écrire et le jouet en forme de singe qui joue de l'accordéon. D'autres ont été conçus par le chef accessoiriste Thomas Spence qui avait déjà travaillé sur Annabelle 2 : La création du mal.
Plusieurs événements étranges et inexpliqués se sont déroulés sur le tournage. Le banc du piano dans la pièce des souvenirs par exemple a été plusieurs fois déplacé la nuit alors que personne ne travaillait dans le studio et qu’il était fermé à clé. La montre d'un journaliste venu sur le plateau s'est mise à changer d'heure toute seule, avant de remarcher parfaitement le lendemain. Quant à Mckenna Grace, elle a vécu une perte de courant inexpliquée dans sa loge, un saignement de nez soudain qui n’a cessé que lorsqu’elle a quitté le tournage et dit avoir vu une ombre semblant dormir dans l’une des pièces vides du décor. Elle avait également pris des photos sur le plateau mais à chaque fois qu'elle tentait de photographier Annabelle, le résultat était noir.
Annabelle - La Maison du Mal a été tourné à Los Angeles, en grande partie aux studios Warner. Les plateaux de Hennessy Street et French Street ont été utilisés pour les plans extérieurs, et le plateau 18 pour certaines séquences avec des voitures nécessitant des fonds verts. Une maison de plusieurs étages a été intégralement construite sur le plateau 26, optimisée afin de permettre aux équipes d'y tourner et d'y circuler.
La chef décoratrice Jennifer Spence a été jusqu'à préparer des cookies pour les ajouter à la cuisine des Warren ! Pour le plancher en bois massif très ancien, elle a collé des lames de bois vernies de 10 cm de large de différents tons puis certaines ont été artificiellement usées par l'équipe à l'endroit des passages les plus empruntés. Pour certaines pièces de la maison, Spence s'est procurée du papier peint d'époque lors de ses voyages et déplacements. Elle a même peint en une nuit l'un des tableaux d'Ed Warren en reproduisant le style du démonologue.
Elle a donné de sa personne en remplaçant un acteur manquant dans une scène où l'on découvre plusieurs cadavres avec des pièces de monnaies sur les yeux : "Leah [Butler] m’a alors trouvé un costume, ce qui n’est pas évident, car je suis très grande, et je suis passée au maquillage et à la coiffure. C’était bizarre mais vraiment amusant".