Сценарий фильма основан на мемуарах Коры Ландау-Дробанцевой, жены Льва Ландау, опубликованных в 1999 году в виде книги Академик Ландау: Как мы жили. По словам Ильи Хржановского, кроме мемуаров вдовы в сценарий легли факты, полученные им в результате работы с архивными документами.

В мае 2006 года на Международном кинофестивале в Каннах проект фильма попал в число 17 наиболее перспективных мировых проектов в официальной программе «Ателье режиссёров».

Съёмки начались в апреле 2008 года в Санкт-Петербурге. Основная часть съёмок прошла в Харькове, а также в Баку, Москве, Лондоне и Копенгагене.

На улице Динамовской на месте открытого бассейна спорткомплекса «Динамо», заброшенного в начале 1990-х годов и выкупленного строительной компанией «Авантаж», был сооружён самый крупный на территории бывшего СССР съёмочный павильон площадью 6 тысяч м. В этом павильоне построили декорации Института физических проблем АН СССР, московской квартиры Ландау и другие декорации для ряда московских сцен фильма.

Для съёмок сцен прилёта Льва Ландау в город на территории Харьковского аэропорта была построена полноразмерная модель огромного советского семимоторного экспериментального пассажирского самолёта-гиганта К-7. «Летающий Госпром», так называли самолет его конструкторы, должен был стать первым в мире аэробусом, но машина разбилась во время первых испытательных полетов. В фильме он был использован в качестве художественного вымысла, поскольку фактически Ландау не мог прилететь на нём в Харьков.