Rocco et ses frères est le premier film que tourne Alain Delon sous la direction de Luchino Visconti. En 1961, il joue au théâtre sous la direction du cinéaste italien Dommage qu'elle soit une putain aux côtés de Romy Schneider, qu'il a rencontrée en 1958 sur le tournage de Christine. Le comédien retrouve Visconti en 1962 pour le tournage du Guépard, Palme d'or à Cannes. A la même période, Alain Delon tourne deux films avec un autre grand metteur en scène italien : La Nuit et L'Eclipse, de Michelangelo Antonioni.Quelques années plus tard, l'acteur est pressenti par Visconti pour incarner le rôle principal de L'Etranger, finalement tenu par Marcello Mastroianni.
Rocco et ses frères est présenté en 1960 à la Mostra de Venise, où il obtient le Lion d'argent. Cette année-là, le Lion d'or est attribué au Passage du Rhin d'Andre Cayatte.
Nadia, la prostituée, est incarnée par Annie Girardot qui trouve là son premier grand rôle au cinéma. Elle retrouve Luchino Visconti qui, en 1958, avait mis en scène au théâtre Deux sur la balançoire, pièce dans laquelle la comédienne donnait la réplique à Jean Marais. Sur le tournage de Rocco et ses frères, elle rencontre Renato Salvatori, qu'elle épouse en 1962. Suite au succès du film, l'actrice devient une vedette dans les années soixante en France et en Italie, alternant les tournages dans les deux pays.
Après les fastes de Senso et des Nuits blanches, Luchino Visconti renoue dans Rocco et ses frères avec le style néo-réaliste de ses premiers films, notamment La terre tremble. Mais le caractère tragique de cette chronique familiale tournée en 1960 donne au film une autre dimension.
Parmi les admirateurs de Rocco et ses frères, on peut citer l'américain James Gray, qui a montré le film à son équipe avant le tournage de The Yards. Le cinéaste Marco Tullio Giordana s'est également dit influencé par le film de Luchino Visconti lorsqu'il a tourné Nos meilleures années. On retrouve dans ce film l'une des comédiennes de Rocco et ses frères, Adriana Asti.
Avant d'être l'héroïne Guépard puis de Sandra, Claudia Cardinale tient un petit rôle dans Rocco et ses frères. Elle fera aussi une apparition dans l'avant-dernier film de Luchino Visconti, Violence et Passion.
Pour son rôle dans le film, Alain Delon a appris la boxe avec un professeur corse, Sauveur Chiocca. Ce boxeur apparaît dans le film : c'est l'adversaire de Rocco dans le dernier combat.