Bluffé par Josiane Balasko depuis qu'il l'a vue dans le Trop belle pour toi de Bertrand Blier, Guillaume Nicloux avoue avoir écrit le rôle de Michèle Varin dans Cette femme-là spécialement pour elle. De son côté, la comédienne a déclaré avoir accepté d'endosser les habits de cette femme flic introvertie et dépressive sans l'ombre d'une hésitation.
"Cela n'était pas prémédité, que dans Cette femme-là, je retrouve le héros d' Une affaire privée, explique Guillaume Nicloux, "or, il s'est trouvé que dans le récit, un détective privé intervenait et, de façon évidente, j'ai pensé à Manéri, alias Thierry Lhermitte ". Le comédien du Splendid s'est d'ailleurs prêté au jeu de bonne grâce et c'est le réalisateur qui s'est personnellement chargé de bander et plâtrer Lhermitte pour la scène, qui a duré toute une journée.
Guillaume Nicloux n'avait jamais vu Eric Caravaca à l'écran avant de le rencontrer à l'occasion d'un festival, où le comédien faisait la lecture du premier roman de François Dupeyron. Nicloux explique alors avoir trouvé Caravaca "très intéressant", aimant "sa voix, son regard (avec) un côté très poli, amical", et l'imaginant du coup dans "des situations plus tordues et plus dégueulasses", créant pour l'occasion le personnage sombre et inquiétant de Sylvain Bazinsky dans Cette femme-là.
Le cours de yoga que l'on voit dans Cette femme-là a été directement inspiré à Guillaume Nicloux par celui donné par une petite dame anglaise habitant près de chez lui. "Yoga, méditation, tout cela est extrêmement jovial, naturel, sympa, explique le réalisateur,mais j'ai le sentiment que tout cela peut très vite déraper (...) sous une apparence très zen, il y a un terreau fonctionnel de chaos".
Compositeur notamment célèbre pour sa partition accompagnant L'Armee des ombres de Jean-Pierre Melville, et dont l'un des thèmes a également servi d'indicatif à l'émission Les Dossiers de l'Ecran, Eric Demarsan avait déjà été sollicité par Guillaume Nicloux pour illustrer Une affaire privée en 2002. Pour Cette femme-là et à l'invitation du metteur en scène, Demarsan s'est en particulier inspiré des thèmes d'angoisse écrits par Bernard Herrmann pour Alfred Hitchcock dans Sueurs froides ou Psychose.
Pour Cette femme-là, Guillaume Nicloux a fait appel au chef opérateur Pierre-William Glenn dont le réalisateur admire en particulier le travail sur Série noire d' Alain Corneau . Ensemble, ils ont notamment travaillé sur les décors, constitués principalement d'un environnement forestier et isolé au coeur de l'hiver, et en interaction avec l'univers sonore et la musique signée Eric Demarsan.
La présence de Thierry Lhermitte au générique de Cette femme-là qui n'était pas initialement prévue a donné à Guillaume Nicloux l'idée de récupérer les personnages interprétés par Lhermitte et Josiane Balasko pour un troisième volet, dans lequel un nouveau protagoniste apparaîtra, qui sera confronté à eux. "On croit choisir des histoires, explique le metteur en scène, mais ce sont elles qui nous choisissent".