Ann-Margret était pressentie pour le rôle d'Ursula Andress, mais elle fut forcée de se retirer en raison de trop nombreux engagements auprès d'autres studios. Sue Lyon était également dans la course pour interpréter le rôle de Caroline Meredith.
Le scénario est tiré de la nouvelle de Robert Sheckley "The Seventh Victim" publiée en 1953 dans la revue "Galaxy Science Fiction".
Pour ne pas prêter à confusion avec le film La Septième Victime (1943), l'adaptation de Elio Petri rallonge le nombre de manches du jeu à 10 au lieu de 7. Le titre change donc pour devenir "La decima vittima", soit La Dixième victime en français.
L'un des principaux lieux de tournage du film a été Rome. On y voit entre autres, le Temple de Vénus qui est filmé et utilisé comme décor lors de la séquence où Caroline doit descendre Marcello. Par ailleurs, on peut apercevoir à l'arrière-plan le Colisée.
Dans La Dixième victime sont dispersés plusieurs clins d'œil, notamment avec le nom des rues. On trouve ainsi la rue Fellini (Federico Fellini, réalisateur italien) et Rota (Nino Rota, compositeur italien).
Caroline tue à New York une de ses victimes dans un club, le Masoch Club. Ce nom est une allusion directe au masochisme ambiant dans le film. A noter qu'elle le tue avec une méthode originale, qui sera reprise dans les années 2000 dans la trilogie Austin Powers via l'arme qui est dissimulée dans le soutien-gorge.
Selon Simon Doonan, styliste new-yorkais, les costumes du film ont été dessinés par le célèbre couturier André Courrèges. Cependant, celui-ci est connu pour avoir été énormément imité et cette rumeur n'a jamais été confirmée.
Dans La Dixième victime, des chasses à l'homme sont régulièrement organisées et autorisées pour extérioriser la violence de l'être humain. Ce sujet a été repris près de 40 ans plus tard par James DeMonaco dans son film The Purge, où le crime est légalisé durant une nuit entière.