Si Eric Bress et J. Mackye Gruber sont d'abord des scénaristes - ils ont notamment coécrit le scénario de Destination finale 2 - ils désiraient tellement défendre l'histoire de L'Effet papillon, qu'ils ont pris la décision de la mettre en scène. Leur producteur Eric Bress précise en effet : "Ils ne souhaitaient toujours pas vendre cette histoire. Elle leur était très personnelle. (...) Logiquement, ils en sont arrivés à la conclusion que personne n'était plus qualifié qu'eux pour la réaliser."
Eric Bress et J. Mackye Gruber ont débuté l'écriture du projet L'Effet papillon dès 1997. En 6 ans, le script s'est très rapidement fait connaître auprès des producteurs. Chris Bender, le producteur, en témoigne : "Leur histoire a tout de suite intéressé beaucoup de monde. Ils ont reçu beaucoup d'offres d'achat, mais ils répondaient que leur scénario devait encore être peaufiné."
Le casting a été difficile à mettre en place : les acteurs devaient en effet être capables d'incarner des adolescents et des adultes. Eric Bress, le producteur, précise :"Ils devaient garder leur identité affective malgré les différentes variations de leur destin. Nous avons cherché des comédiens capables d'exprimer différemment une même sensibilité suivant les circonstances."
Elden Henson, l'interprète de Lenny, le meilleur ami de Evan, a du grossir de 15 kilos et immédiatement maigrir. L'expérience l'a fortement marqué : "Ce film est un cas d'école ! Les autres changeaient de costume et de coiffure, moi, suivant mon destin, je changeais aussi de physique ! J'ai dû faire varier mon poids de plus de 15 kilos pendant le tournage. Pour moi, il y a eu deux périodes : celle où je m'empriffrais avec tout ce qui est délicieux et hypercalorique, et l'autre où je regardais mes camarades manger et où je courais tous les matins comme un forcené."
Ashton Kutcher trouve dans L'Effet papillon son premier rôle dramatique : "Jusqu'à présent, j'ai surtout fait des comédies. Eric et jonathan m'ont donné l'opportunité de jouer autre chose, dit-il. Evan est un être complexe, multiple mais surtout très humain."
Le tournage a duré huit semaines, principalement à Vancouver et ses environs (Canada) : les prises de vue principales ont été tourné au Riverview Hospital, au campus de l'Université de Colombie Britannique et à l'Ecole élémentaire Edith Cavell. Les scènes de prison ont été effectuées dans l'Etat de Washington, au Monroe Corrective Complex.