Miss FBI : divinement armée n'est autre que la suite de la comédie policière Miss détective, qui, lors de sa sortie en 2001, avait généré plus de 100 millions de dollars de recettes aux Etats-Unis et séduit près de 300 000 spectateurs en France. Ce deuxième volet donne l'occasion à Sandra Bullock de collaborer une nouvelle fois avec Marc Lawrence, le scénariste et réalisateur de L'Amour sans préavis.
Sandra Bullock et le scénariste Martin Lawrence confièrent la réalisation de Miss FBI : divinement armée à John Pasquin. Venu du théâtre, celui-ci a contribué au succès de certaines séries populaires comme La Loi de Los Angeles, Papa bricole ! et Génération pub. De lui, Lawrence déclare : "Il est réceptif aux acteurs, à la motivation et à la vérité d'une scène. Des qualités auxquelles s'ajoutent une totale maîtrise de la caméra et de grandes facultés d'invention visuelle."
Désireuse de "tirer avantage de la musique, des lumières et de l'énergise particulière à Las Vegas", l'équipe tourna notamment dans deux des hôtels les plus cotés du Strip : le Venitian et le Treasure Island. Une partie du film se déroule également dans le centre-ville de Las Vegas, à proximité des casinos Four Queens, Golden Nugget et Fremont. La production se rendit par ailleurs à une trentaine de kilomètres de Las Vegas, près de la petite ville de Jean, dans le Nevada, et explora les environs de la capitale mondiale du jeu. L'équipe travailla ensuite plusieurs semaines à Los Angeles avant d'achever les prises de vues à New York, ville d'origine de Gracie.
La plus grande scène d'action du film a pour décor l'attraction outdoor des "Sirènes" de l'hôtel Treasure Island. Ce numéro à effets spéciaux illustre une féroce bataille navale dans un lagon exotique avec, en guise de finale, le naufrage du vaisseau pirate vaincu. Une partie de la scène fut tournée sur place, mais les plans subaquatiques furent réalisés dans le bassin du plateau 16 des studios Warner Bros, l'un des plus profonds du monde qui servit au tournage en 1957 du Vieil homme et la mer avec Spencer Tracy. Long de 33 mètres et large de 31, il offrait à l'équipe toute latitude pour y installer une réplique du vaisseau pirate ainsi que le système hydraulique commandant celui-ci.