Malgré la qualité du film, aucun français n'a voulu courir le risque de le distribuer... C'est grâce à l'américain Richard Davis, qui acheta les droits du film, que Les dimanches de Ville d'Avray a pu être projeté en avant première mondiale à New York. Le succès fut immédiat, tant d'un point de vue critique que commercial, ce qui poussa les cinémas parisiens à se rattraper, en diffusant le film dans cinq grandes salles.
Serge Bourguignon retrouve son ami Henri Decaë, le directeur de la photographie avec qui il avait déjà travaillé sur Les Enfants terribles de Jean-Pierre Melville en 1949 (Serge Bourguignon y était assistant réalisateur).
Le réalisateur Serge Bourguignon, qui est également scénariste du film, explique qu'il s'est inspiré pour écrire cette histoire, de deux individus particuliers, dont un des deux a réellement existé. Le premier était un militaire chef d'escadrille qui, après avoir croisé une petite fille dans son champ de vision, a démissionné de l'armée pour partir à la recherche de l'enfant. Le second était le personnage fictif d'un roman, un gangster devenu amnésique pourchassé par ses anciens collègues et dont la fille fut placée dans un orphelinat.
Ville-d'Avray est une commune française, située dans le département des Hauts-de-Seine et la région Île-de-France. Ses habitants sont appelés les Dagovéraniens.
Les Dimanches de ville d'Avray est un film inspiré du roman du même nom écrit par Bernard Eschassériaux. Cet écrivain a également participé à l'écriture du scénario et des dialogues du film. Le roman ne fut publié qu'en 1971, donc plusieurs années après la sortie du film.
Le film de Serge Bourguignon a obtenu l'Oscar du meilleur film étranger en 1963.