L'acteur Bruno Todeschini qui incarne Thomas, le frère malade, a dû perdre douze kilos pour son rôle. Cela a eu des répercussions au moment du tournage: "En Bretagne, j'étais à 400 calories par jour, c'est à dire deux pommes et un yaourt. Du coup, j'étais exclu du groupe. Pas question d'aller dîner avec eux le soir. Le matin, lorsque les gens me faisaient la bise, je voyais que ça leur était désagréable, ce contact avec ma maigreur. C'est dans cette mise à l'écart que j'ai, aussi, cherché Thomas."
"C'est un film sur les corps et sur la manipulation d'un corps en particulier. C'est un film sur les peaux, sur la dégradation d'un corps qui était sans doute très actif et qui, là, est contraint de se laisser manipuler. Il devient passif et abandonné, on le regarde, on le compare aux autres corps, ceux qui sont en bonne santé."
Son frère est une adaptation du roman homonyme de Philippe Bresson. Le cinéaste Patrice Chéreau a connu le roman au moment où il travaillait sur son projet Napoléon: "J'avais lu un compte-rendu du livre de Philippe Besson et comme je travaillais à l'écriture d'un scénario sur une agonie (celle de Napoléon), j'ai acheté le livre". La description de la dégradation du corps, de la passivité de ce dernier, manipulé, et les rapports entre les deux frères ont passionnés le réalisateur d'Intimité.
Avant de sortir dans les salles hexagonales en septembre 2003, Son frère a bénéficié d'une diffusion sur Arte en juin. On a connu des cas similaires où la chaîne franco-allemande diffusait le film avant qu'il ne soit projeté en salles. Les exemples récents sont Ressources humaines de Laurent Cantet, Nationale 7 de Jean-Pierre Sinapi ou encore L'Age des possibles de Pascale Ferran.
Son frère marque la troisième collaboration entre Patrice Chéreau et Bruno Todeschini. En effet, l'acteur faisait partie de la promotion 1986 du Théâtre des Amandiers de Nanterre animé par le réalisateur d'Intimité. Les deux artistes se retrouveront à plusieurs reprises sur les plateaux de cinéma. Tout d'abord, en 1986, dans Hotel de France puis en 1993 avec La Reine Margot.
Son frère de Patrice Chéreau a obtenu l'Ours d'argent au Festival de Berlin en 2003.