A l'origine, c'est l'ami très proche de John Ford, l'acteur Ward Bond qui devait interpréter Liberty Valance. Décédé peu avant le début du tournage, il fut alors remplacé par Lee Marvin, qui joua de nouveau pour le réalisateur l'année suivante, dans La Taverne de l'Irlandais, dans lequel on retrouve également John Wayne.
L'Homme qui tua Liberty Valance est le dernier film que réalisa John Ford en noir et blanc. C'est également l'ultime long-métrage dans lesquels apparaissent les acteurs Stuart Holmes, Buddy Roosevelt, Blackie Whiteford et Jack Perrin. Le film marque enfin la dernière collaboration de John Qualen avec John Wayne en tant que personnage scandinave caricatural.
Le morceau de Gene Pitney, "The Man Who Shot Liberty Valance", ne fut finalement pas utilisé pour le générique d'ouverture du film, le réalisateur considérant qu'il était bien trop moderne pour être joué dans un film se déroulant à la fin du XIXème siècle. Cependant, au début du film, lorsque Vera Miles s'approche de la maison brûlée, la bande originale du film de John Ford, Vers sa destinée, de 1939, est jouée en fond.
Certaines des premières scènes du film, notamment celle du restaurant où James Stewart, dans son tablier de serveur, est protégé des brutes par John Wayne, ont été stylisées par John Ford de façon à rendre un hommage moqueur aux films de son ami et collègue Howard Hawks.
Lee Marvin, Strother Martin et Lee Van Cleef avaient auparavant déjà joué ensemble, dans un registre bien différent de celui de John Ford. Ils tenaient en effet les premiers rôles d'un épisode de la série de science-fiction The Twilight Zone, appelé "The Grave" (épisode 3 saison 7), en 1961.
Durant le film, Liberty Valance s'adresse à plusieurs personnages en les nommant "dude". Or, de la seconde moitié du XIXème siècle aux années 60, il s'agissait d'un terme péjoratif qui désignait un citadin bien habillé, sorte de dandy perdu en milieu rural. En français, certaines expressions équivalentes traduites furent popularisées par la bande dessinée Lucky Luke, telles que corne-verte ou pied-tendre. Le mot "dude" changea quant à lui de sens suite à la beach génération de surfeurs californiens, il devint synonyme d'ami ou de compagnon.
Lorsque Ransom Stoddard est secouru par les colons suédois, Nora lui fait boire un "Swedish aquavit", mais en fait, elle lui offre un "Rød Aalborg" (un Aalborg rouge) qui est un aquavit danois. Autre élément faussé, mais volontaire celui-ci, les fréquentes références à la rivière Picketwire, notamment lorsque Doniphon dit de Valance qu'il est l'homme le plus rapide au pistolet au sud du Picketwire, après lui. Il s'agit en réalité d'une déformation argotique de la rivière Purgatoire, qui coule dans le sud du Colorado américain.