Claude Berri réunit en 1980 dans Je vous aime les deux acteurs-phares du cinéma français, Gérard Depardieu et Catherine Deneuve, qui forment la même année le couple légendaire du Dernier Metro de Truffaut. Les comédiens se retrouveront l'année suivante sur Le Choix des armes, puis sur Fort Saganne, deux films de Corneau, et en 1990 sur Drôle d'endroit pour une rencontre, le premier film de François Dupeyron.
C'est après sa rupture avec Anne-Marie Rassam que Claude Berri se met à écrire Je vous aime, qui appartient à la veine personnelle du réalisateur, et dans lequel il est question d'une séparation amoureuse. Mais Berri confie qu'il s'est inspiré pour son film de la vie sentimentale de celle qui joue le rôle principal du film, Catherine Deneuve. Par ailleurs, alors que des scènes de violente dispute opposent l'héroïne à Simon, le réalisateur incarné par Serge Gainsbourg, celui-ci est, pendant le tournage, en train de se séparer de sa muse, Jane Brikin.
Serge Gainsbourg est à la fois acteur et compositeur de la musique de Je vous aime. C'est dans ce film qu'on entend la chanson Dieu fumeur de havanes en duo avec Catherine Deneuve. La même année, Gainsbourg écrit un album entier pour l'actrice, Souviens-toi de m'oublier. On entendra de nouveau Deneuve chanter au cinéma vingt ans plus tard, dans Belle Maman et 8 femmes.
Claude Berri convainc Serge Gainsbourg de jouer dans son film, alors que l'homme à tête de chou n'avait plus fait que de brèves apparitions au cinéma depuis l'échec de Cannabis en 1970. Entretemps, Berri avait coproduit le premier film de Gainsbourg en tant que réalisateur, Je t'aime, moi non plus, en 1975, et le musicien avait composé trois ans plus tôt la bande-originale d'un des films de Berri, Sex-shop. En 1990, Claude Berri acceptera de tenir le rôle-titre de Stan the Flasher, le quatrième et dernier film réalisé par Serge Gainsbourg en 1989.
S'il avait écrit la chanson-titre de L'Amour en fuite de François Truffaut en 1979, c'est la première fois qu'Alain Souchon fait l'acteur. Après avoir été le partenaire de Catherine Deneuve, il sera celui d'Isabelle Adjani dans Tout feu tout flamme de Jean-Paul Rappeneau et L'Eté meurtrier de Jean Becker, puis celui de Jane Birkin dans Comedie !, pour lequel il composera, et interprètera en duo avec la comédienne, la chanson du générique.
Je vous aime marque la première apparition à l'écran de Thomas Langmann. Fils de Claude Berri, il fera des prestations remarquées dans des films tels que Les Années sandwiches de Pierre Boutron, Paris s'éveille d'Assayas, ou encore Amoureuse de Doillon. A la fin des années 90, il entame une carrière de producteur.
Catherine Deneuve retrouve Jean-Louis Trintignant après avoir tourné à ses côtés L'Agression de Gérard Pirès et L'Argent des autres de Christian de Chalonge. Ils seront réunis dans Le Bon Plaisir de Francis Girod.
Je vous aime marque les débuts d'une fructueuse collaboration entre Gérard Depardieu et Claude Berri qui fera également appel à lui par la suite pour Jean de Florette, Uranus et Germinal.
Je vous aime est le premier film coécrit par le romancier Michel Grisolia. Son premier livre, L'inspecteur de la mer est porté à l'écran en 1979 par Georges Lautner sous le titre Flic ou voyou. Grisolia, par ailleurs auteur de chansons et critique littéraire et cinématographique, travaillera par la suite comme scénariste pour Alain Corneau (Le Choix des armes, avec encore le duo Deneuve - Depardieu), Pierre Granier-Deferre (L' Etoile du Nord), André Techiné (J'embrasse pas), ou encore, à plusieurs reprises, Francis Girod (Le Grand Frère, Passage a l'acte).