Фильм основан на серии комиксов Джо Саймона и Джека Кирби.
В рамках подготовки к съемкам Энтони Маки не участвовал в каких бы то ни было тренировках по скайдайвингу. Однако он поддерживал режим, который прописывали всем пилотам реактивных самолетов.
13 мая 2013 года съемочная группа прибыла в Вашингтон. Снимались сцены, в которых Стив Роджерс, Черная Вдова и Сокол позировали на фоне самых известных достопримечательностей столицы США, включая монумент Джефферсона, монумент Линкольна, Национальный музей авиации и космонавтики, Капитолий, Национальная аллея, ресторан «Оксиденталь» в отеле «Willard», район Дюпон-серкл и мост Теодора Рузвельта, который впервые в истории был перекрыт для проведения съемок полнометражного фильма.
Хотя авторы фильма утверждают, что по минимуму использовали компьютерную графику, за спецэффекты отвечали пять графических студий.
Энтони Маки был недоволен современным видом костюма своего персонажа (Сокол). Он хотел костюм из красного спандекса, как у его персонажа в комиксах.
Новый костюм Капитана взят из комиксов. Там он носил подобный, когда занимал должность директора организации Щ. И. Т.
Кевин Файги описал этот фильм как «политический триллер 1970-х, замаскированный под супергеройское кино».
Энтони Маки описал этот фильм как «Мстители: Часть 1,5».
Жорж Ст. Пьер, который играет Батрока Прыгуна, являлся чемпионом абсолютного бойцовского чемпионата в полусреднем весе (с 2007 по 2013 год).
На роль Зимнего солдата прослушивались Николай Костер-Вальдау, Кевин Дюран и Джош Холлоуэй.
Авторами саундтрека к трейлеру фильма стали российские композиторы Александр Соколов, участник группы «I am waiting for you last summer», и Антон Новосельцев.
Для добавления реалистичности фильм снимался на портативную камеру.
Изначально в сценарии не было Зимнего Солдата. Продюсеры хотели сохранить этот персонаж для будущих фильмов серии. Но в итоге Кевин Файги принял решение добавить его в этот фильм.
При создании фильма режиссеры Энтони Руссо и Джо Руссо черпали вдохновение из фильма «Три дня Кондора» (1975).
Съемки фильма начались 1 апреля 2013 года на студии Manhattan Beach Studios. Первой снимали сцену нападения в лифте.
Съемка батальной сцены на борту массивного судна под названием «Лемурианская Звезда» проходила на борту настоящего ракетоносца, пришвартованного в порту Лонг Бич, штат Калифорния.
Съемки самой масштабной боевой сцены фильма проходили на улицах Кливленда и велись двумя полноценными съемочными группами. Для этого многие улицы потребовалось перекрыть, включая проезд к Кливлендскому мемориалу – одну из главных магистралей страны. Съемочные группы работали на протяжении трех недель в самый разгар летнего туристического сезона. Чтобы убедить чиновников Кливленда дать разрешение на съемки в этот период создателям фильма пришлось заручиться поддержкой огромного количества людей, в том числе мэра, губернатора и главы исполнительной власти округа.
Во избежание утечки информации и возможных спойлеров фильму дали рабочее название «Морозный ожог» (Freezer Burn).
В русской версии фильма, в сцене, где Стив Роджерс достает блокнот со списком фильмов, которые надо посмотреть, в нем можно увидеть «Звездные войны», «Рокки» (1976) и «Москва слезам не верит» (1979).
Персонаж, роль которого исполнила Эмили ВанКэмп, значится в титрах как Агент 13 (Agent 13), при этом имя ее фактически упоминается лишь вскользь в разговоре между главными героями. Подлинное имя Агента 13 - Шерон Картер. Она приходится агенту Пегги Картер родной племянницей.
В квартире Капитана Америки на полке можно заметить книгу Джорджа Буша.
Удаленная сцена из фильма «Мстители» (2012), где Стив узнает, что случилось с его отрядом и Пегги Картер, была включена в этот фильм.
Сцена, где Капитан Америка прыгает с самолета без парашюта, очевидно, является отсылкой к аналогичной сцене из первого выпуска комикса серии The Ultimates.
В рамках подготовки к своей роли Зимнего солдата Себастьян Стэн прошел через пять месяцев физических тренировок и исторических исследований. Он подробно изучал период холодной войны и тему промывания мозгов. Также он целыми днями отрабатывал движения с пластиковым ножом, чтобы на экране они выглядели более естественными.
Камео Стэна Ли: охранник в музее.
Режиссер картины Джо Руссо появился в фильме в роли врача, спасающего Черную Вдову от потери крови.
На надгробной доске директора Ника Фьюри, которого сыграл Сэмюэл Л. Джексон, помимо имени и фамилии также видна эпитафия «Путь праведника: Иезекииль 25:17». Именно этот стих произносил персонаж Сэмюэля Л. Джексона в фильме «Криминальное чтиво» (1994).
Истребители ЩИТа - самые современные в своем роде. Но один парень с малым количеством гранат взрывает весь авиапарк ЩИТа за 3 минуты.
«Тетродотоксин б» (вещество, которое замедлило сердцебиение Фьюри) - яд рыбы фугу. Он для организма смертелен и для подобных целей не используется.
Чтобы добраться до секретной базы агентства Щ. И. Т. Капитан Америка спускается в лифте на глубину в десятки футов. Однако когда появляется враг, герои проделывают тот же путь быстрее, спускаясь при этом на гораздо меньшую глубину.
Щит Капитана Америки поглощает все вибрации, соответственно не может звенеть или издавать любые другие звуки, так как звук - это вибрация.
Бандит, стрелявший в Капитана из шестистволки, не имел на себе большого запаса патронов, но из пулемета гильзы лились просто рекой, имевшей неизвестное происхождение.