Le cinéaste a fait appel à deux stars américaines de la comédie musicale : l'acteur et réalisateur Gene Kelly ainsi que George Chakiris, vu dans West Side Story.
La musique du film, signée Michel Legrand, avec qui Demy avait travaillé sur les fameuses BO de Lola et des Parapluies de Cherbourg, a été nommée à l'Oscar en 1969.
Au détour d'un dialogue, on apprend que l'une des victimes de l'odieux assassin Monsieur Dutroux est Lola... l'héroïne du premier long métrage de Jacques Demy.
Veuve de Jacques Demy (mort en 1990), Agnès Varda signera en 1992 un documentaire intitulé Les Demoiselles ont eu 25 anss, tourné à Rochefort à l'occasion d'une célébration du film. Une avenue Jacques-Demy et une place Françoise-Dorléac y avaient alors été inaugurées.
Françoise Dorléac meurt dans un accident de voiture trois mois après la sortie du film. Les Demoiselles est son avant-dernier film.
Il s'agit du troisième film où Françoise Dorléac partage l'affiche avec sa sœur, Catherine Deneuve, après Les Portes claquent et La Chasse à l'homme.
Danielle Darrieux est la seule comédienne non doublée pour le chant. Gene Kelly, ayant un emploi du temps trop chargé pour apprendre des chansons en français, a été doublé par un chanteur anglophone.
Le film a été tourné simultanément en français et en anglais.