Après avoir envisagé de faire de Kelly Robinson un champion international de tennis, puis un basketteur, c'est finalement Eddie Murphy qui a suggéré d'en faire un boxeur. Il explique : "J'ai pratiqué la boxe autrefois, mon père était boxeur, javais déjà une bonne base. Il ne m'a fallu d'ailleurs que quelques mois d'entraînement."
Eddie Murphy et Owen Wilson ont des manières de jouer assez différentes l'un de l'autre. La réalisatrice se souvient : "Unir deux styles opposés m'attirait. L'énergie d'Eddie est immense, communicative et basée sur l'improvisation. Le rythme d'Owen est plus retenu, plus construit. Ils ont un rapport réciproquement destructeur. C'est jubilatoire de les voir se pourrir la vie !"
Le tournage a commencé le 12 septembre 2001 à Budapest, en Hongrie. Le producteur Andrew G. Vajna commente : "On a rarement vu l'Europe de l'Est dans les films d'action, surtout la Hongrie. Budapest a déjà été utilisé mais surtout comme doublure de Paris ou d'autres capitales européennes. Voir la ville pour elle-même offrait au public une expérience nouvelle. Et la Hongrie est mon pays d'origine !"
Ce film est en fait l'adaptation cinématographique d'une série télévisée américaine intitulée I spy, dont les origines remontent aux années soixante. Bill Cosby y interprétait l'agent Alexander Scott, tandis que Robert Culp y incarnait le champion international de tennis Kelly Robinson.
L'une des séquences les plus difficiles du tournage a été celle de la poursuite en voiture dans une rue étroite près du Danube. Il a fallu obtenir l'autorisation de fermer l'accès pendant la nuit et aller jusqu'en Allemagne pour louer la douzaine d'énormes projecteurs qui, suspendus à deux grues, éclairent la scène.
Eddie Murphy a insisté pour effectuer lui-même certaines de ses cascades. "Je cherche toujours le moyen de faire surgir la comédie dans toute situation, même la pire. Owen et moi avons visé cela en permanence. Il n'est pas évident d'accomplir certains exercices physiques en étant drôle en même temps !" précise Owen Wilson. "Quand vous êtes suspendu dans les airs et que votre production d'adrénaline est en surrégime, il faut encore continuer à donner la réplique, à improviser..."
Espion et demi marque la seconde collaboration entre l'acteur Eddie Murphy et la réalisatrice Betty Thomas. Tous deux avaient auparavant travaillé ensemble sur la comédie Dr. Dolittle.
Eddie Murphy et Owen Wilson sont deux habitués du buddy movie, un genre cinématographique qui mêle à la fois humour et action et qui fait la part belle à un duo d'acteurs diamétralement opposés. Dans ce type de film, le premier a eu pour partenaires Nick Nolte dans 48 heures (1982) et 48 heures de plus (1990) ainsi que Robert De Niro dans Showtime (2002), tandis que le deuxième s'est vu adjoindre les services de Jackie Chan dans Shanghai kid (2000).