La Fille d’un grand amour prend pour matrice le propre court-métrage documentaire d’Agnès De Sacy, réalisé en 1992 à la fin de ses études à la FEMIS. Elle y suivait ses parents, divorcés quinze ans plus tôt, et leur posait à chacun des questions sur leur rencontre. Trois ans après le court-métrage, ses parents se sont remariés, "grâce au film". Cependant, c’est le dévoilement de l’homosexualité refoulé de son père qui a incité la cinéaste en faire une fiction.
Si Agnès de Sacy a travaillé sur de nombreux longs-métrages comme scénariste (Les Amandiers de Valeria Bruni Tedeschi, Les Envoûtés de Pascal Bonitzer, Yao de Philippe Godeau), La Fille d’un grand amour est son premier long-métrage en tant que réalisatrice.
Le réalisateur Philippe Godeau a convaincu Agnès de Sacy de se lancer dans ce film, elle, qui avait déjà écrit ses trois longs-métrages et plusieurs autres qu’il a produit. Par ailleurs, la réalisatrice a co-écrit son film avec Michel Spinosa, avec qui elle avait déjà travaillé sur le film Son épouse.
Agnès de Sacy a été incapable de représenter à l’écran une scène d’amour charnel avec ses deux parents, fussent-ils de fiction. C’est la raison pour laquelle elle montre leur sexualité de manière distincte, lui avec son minitel et elle, avec son amant marié.
La Fille d’un grand amour comporte trois ellipses choisies avec la monteuse Françoise Bernard afin de donner un mouvement cyclique à la relation amoureuse des parents, comme le confie la réalisatrice : "Ana et Yves se retrouvent, se disputent, se séparent, se retrouvent encore, et ne peuvent pas faire autrement. Entre eux, c’est une histoire sans fin." Ainsi, on retrouve le récit de la première rencontre d’Ana et de Yves, leurs retrouvailles au présent, le flash-back de Yves à 17 ans, et le flash forward final où apparaît son père.
Agnès de Sacy a laissé peu de place à l’improvisation pour Isabelle Carré et François Damiens, leur demandant au contraire de respecter le texte "dans sa musique et dans son caractère parfois très écrit".
Dans les échanges épistolaires, avec la voix-off de François Damiens, Agnès de Sacy s’est inspirée du cinéma de François Truffaut mais également du film Irène d’Alain Cavalier.
Agnès de Sacy a tourné son film dans les Pyrénées pendant deux mois, à Collioure. Un endroit qui lui est familier car elle le côtoie depuis l’enfance, comme elle l’explique : "Toute ma famille maternelle a vécu. On est loin de Paris, très près de l’Espagne, c’est le Sud, mais un Sud sans pittoresque, au pied des montagnes. Peut- être encore plus que la nature, ce qui frappe là-bas, c’est la lumière". En outre, après avoir passé en revu plusieurs maisons de la région avec la décoratrice Charlotte de Cadeville et le chef-opérateur Denis Lenoir, ils ont finalement décidé de tourner dans la maison du père de la réalisatrice.
Si Agnès de Sacy a choisi François Damiens pour son jeu dramatique dans Les Cowboys de Thomas Bidegain, elle connaît en revanche Isabelle Carré depuis de nombreuses années. Elles se sont rencontrées alors que la cinéaste travaillait comme seconde assistante sur Beau fixe de Christian Vincent (1992). Elle sortait de la FEMIS et leur a alors montré son court-métrage à l’époque, celui qui a inspiré le film aujourd’hui. Les deux femmes partagent également un autre point commun : un père homosexuel, dont avait d’ailleurs parlé Isabelle Carré dans son livre Les Rêveurs.
Agnès de Sacy n’a pas souhaité faire une reconstitution historique des années 1990 dans son film, mais plutôt suggérer l’époque, à travers les vêtements, le minitel, la voiture, le téléphone. Avec la décoratrice Charlotte de Cadeville, elles ont visionné de nombreux films afin de constituer un dossier visuel, comme autant de références pour son long-métrage.
Ce n’est pas la première fois qu’Isabelle Carré et François Damiens partagent la même affiche, puisqu’ils jouaient déjà ensemble dans La Guerre des Lulus, sans toutefois avoir de scènes en commun.
Avant de tourner le film, François Damiens et Isabelle Carré ont répété pendant deux jours entiers dans les décors.
Le tournage s’étant déroulé en partie dans la maison de famille de la réalisatrice, Isabelle Carré avait installé sa loge dans la chambre d’enfance d’Agnès de Sacy !
En plus de la composition originale de Grégoire Hetzel, chaque personnage a sa musique diégétique dans le film : des chansons de variétés pour Ana (La nuit n’en finit plus de Petula Clark et La gata bajo la lluvia, interprétée par Rocio Durcal), et le prélude de Tristan et Isolde de Richard Wagner pour Yves.
Dans La Fille d’un grand amour, le réalisateur Pascal Bonitzer joue le professeur de la FEMIS du personnage de Cécile !