A l'origine, Lune froide est un court-métrage réalisé par Patrick Bouchitey d'après une nouvelle de Charles Bukowski. Ce petit film, qui présentait les amours nécrophiles de deux marginaux, a été sifflé lors de sa présentation au Festival de Clermont-Ferrand, où il a pourtant obtenu le Grand Prix. On retrouve le contenu de ce court, qui a également été récompensé par un César en 1990, à la fin de Lune froide, le long-métrage.
Pour son premier film en tant que réalisateur, le comédien Patrick Bouchitey, remarqué pour ses prestations dans La Meilleure façon de marcher, de Claude Miller et La Vie est un long fleuve tranquille d'Etienne Chatiliez, a fait appel à un comédien qui est lui aussi réalisateur, Jean-François Stévenin.
Lune froide a été présenté en Sélection Officielle, en compétition, au Festival de Cannes en 1991. L'année suivante, il était nommé au César de la Meilleure première oeuvre.
Lune froide est l'un des tout premiers films que Luc Besson ait produit mais pas réalisé. Jusqu'alors, il n'avait produit que Kamikaze, de Didier Grousset en 1986.
Lune froide n'est pas la première adaptation au cinéma d'une oeuvre de Charles Bukowski. On peut citer Barfly, le premier film américain du Français de Barbet Schroeder, et Contes de la folie ordinaire de l'Italien Marco Ferreri.
La singularité de ce long-métrage est accentuée par le fait que le cinéaste ait choisi de le tourner entièrement en noir et blanc.
Si la musique originale de Lune froide a été composée par le musicien de jazz Didier Lockwood, on entend dans le film plusieurs morceaux de Jimi Hendrix, qu'adulent les protagonistes du film. Patrick Bouchitey, lui-même guitariste, a assisté en 1967 à un concert du célèbre rocker à l'Olympia. Par ailleurs, avant d'être scénariste, Jackie Berroyer a été critique rock, entre autres pour le journal satirique Charlie Hebdo.
C'est l'une des toutes premières fois que Jackie Berroyer travaille pour le grand écran. Ecrivain et journaliste, Berroyer avait déjà été scénariste sur deux longs-métrages, également réalisés par des acteurs, Poule et frites de Luis Rego, et Double messieurs de Jean-François Stévenin, dans lequel il est également comédien. Mais c'est dans les années 90 que Berroyer sera très présent dans le cinéma français, à la fois comme comédien, puisqu'il trouve des premiers rôles dans Encore, et Je ne vois pas ce qu'on me trouve, et comme coscénariste, pour des films tels que Riens du tout ou Les Gens normaux n'ont rien d'exceptionnel.
Au départ, c'est Richard Bohringer qui, dans le court métrage, devait tenir le rôle finalement interprété par Jean-François Stévenin.
Le film provocateur de Patrick Bouchitey a reçu un accueil mitigé de la presse à sa sortie, à l'image de ce "pour ou contre" paru à l'époque dans l'hebdomadaire Télérama. Le film y est en effet défendu par Pierre Murat : " (...) Patrick Bouchitey réussit presque constamment à saisir, à blanc, un monde inregardable qu'il se plaît, précisément, à regarder (...) ce que l'on aime, dans ce premier long métrage, c'est la façon dont Bouchitey filme les rues désertes dans cet éclairage accablant, des chiens aussi errants que les humains, des bistrots où les solitudes se cognent ". En revanche, Fabienne Pascaud, dans le même journal, est scandalisée : "A-t-on à ce point le droit de bafouer en gros plan la personne humaine, morte ou non ? N'y a-t-il donc plus d'images qui choquent, qui révoltent, plus de valeurs à défendre, plus d'interdits à respecter ? (...) En ce qui concerne la dignité de l'homme, il y a des choses à ne pas montrer, à ne pas banaliser, de crainte de justifier les pires réactions."
Dans une de scène de Lune froide, le personnage incarné par Patrick Bouchitey regarde à la télévision L'Homme aux colts d'or qu'il s'amuse à doubler simultanément. Bouchitey a connu un grand succès populaire à la télévision en doublant sur un mode humoristique des séquences de documentaires animaliers.