La bande originale de La Repentie comporte des musiques très variées qui sont amenées dans le film grâce au petit transistor avec lequel se promène Charlotte. On y retrouve She's the one de Robbie Williams, Ne me quitte pas interprété par Natacha Atlas ou encore It was a very good yeaur de Franck Sinatra.
Pour Laetitia Masson, "ce film est l'histoire d'un coup de foudre". Alors que la réalisatrice et Sandrine Kiberlain avaient décidé de marquer une pause dans leur collaboration, Laetitia Masson avait commencé à écrire une histoire pour un homme. "Peu de temps après, des producteurs m'ont envoyé un livre à adapter pour une star. Je ne voulais pas adapter de livre, les producteurs me faisaient peur, les stars ne m'intéressaient pas. J'ai lu le livre. Je n'ai pas aimé. Les producteurs ont insisté. Leur insistance m'a plu. J'ai rencontré la star. Et j'ai tout oublié. En une heure, j'étais envoûtée. Tout en elle m'inspirait", explique la cinéaste.
La Repentie marque les retrouvailles d'Isabelle Adjani et de Sami Frey qui n'avaient pas joué ensemble sur grand écran depuis Mortelle randonnée en 1983.
Laetitia Masson a fait appel à des acteurs prestigieux pour les seconds rôles. Le réalisateur José Giovanni incarne le père de Charlotte tandis que Maria Schneider campe sa soeur. Jacques Bonnaffé, Isild Le Besco en prostituée, Aurore Clément et Jean-Francois Stévenin complètent la distribution.
Ce film marque le retour d'Isabelle Adjani au cinéma après Les Diaboliques, réalisé en 1996. Elle avait néanmoins fait une petite apparition dans son propre rôle dans Paparazzi.