Фильм снимали в Суздале, где специально для этого построили декорацию опричного дворца. Дальнейшая судьба декорации вызвала в городе скандал: никто не хотел брать на себя траты по её демонтажу.

Рабочим названием фильма долго значилось «Иван Грозный и митрополит Филипп». Но в последний момент его всё-таки сократили до более простого и понятного широкой публике и иностранным зрителям.

Главная роль изначально писалась в расчёте на Петра Мамонова. Как заметил Павел Лунгин, ещё на съёмках совместного фильма «Остров» он увидел в Мамонове противоречивого русского правителя.

Роль митрополита Филиппа — последняя роль в кино Олега Янковского. Актер скончался 20 мая 2009 года, три дня спустя после показа фильма на Каннском фестивале.

Актёр на роль митрополита был утверждён не сразу. По свидетельству Ивана Охлобыстина, именно он порекомендовал Лунгину Олега Янковского как кандидата на эту роль. Готовясь к роли, Янковский встречался с патриархом Алексием II и получил от него благословение на съёмки.

Незадолго до официальной премьеры, 2 ноября 2009 года, Союз Православных Хоругвеносцев и Союз Православных Братств провели в Москве пикет в защиту русской истории и культуры, на котором выразили свой категорический протест против фильма, который представляет собой «издевательскую карикатуру на первого Русского Царя», который в картине «представлен в виде сумасброда, маньяка, садиста и параноика», а сам фильм призван «символически оплевать Русскую историю».

После выхода фильма многие, в том числе православные священнослужители, отрицательно отозвались о возобновлении актёрской деятельности отца Иоанна Охлобыстина. Сам Охлобыстин указал на то, что «суть основной претензии в том, что исполнением роли бесноватого царского шута я соблазняю людей и унижаю священный сан. Первой реакцией было отмахнуться и напомнить, что на постановку фильма режиссёра благословил покойный патриарх Алексий, а моей задачей было лишь точное выполнение поставленной задачи. Но, поразмыслив, я понял, что в прочитанной критике есть определённый резон». В результате в конце ноября 2009 года Охлобыстин обратился к патриарху Кириллу с просьбой отстранить его от служения.

Принадлежность одного из героев фильма — немецкого авантюриста Генриха фон Штадена к опричнине и его вхожесть во двор русского царя известны по его мемуарам, но оспариваются рядом учёных.

Фотограф съёмочной группы Алексей Дружинин несколько месяцев спустя после завершения съёмок стал личным фотографом председателя правительства России Владимира Путина и продолжал являться таковым по состоянию на январь 2010 года.

В роли консультанта режиссёра выступал писатель и богослов Александр Дворкин, защитивший в своё время диссертацию «Иван Грозный как религиозный тип»; он же сыграл эпизодическую роль архиепископа Пимена. Одним из консультантов был также иеромонах Косьма, насельник Донского монастыря (он же работал с Лунгиным и в фильме «Остров»), который привлёк к съёмкам своих друзей-музыкантов — лидера рок-группы «Ривущие струны» Владимира Терещенко, продюсера Олега Ковригу и автора-исполнителя Псоя Короленко. Все они снялись в эпизодических ролях священников в массовой сцене интронизации митрополита Филиппа.

Когда антрополог Михаил Герасимов в 1964 г. работал с черепом и скелетом Ивана Грозного для создания скульптурной реконструкции, он отмечал прекрасную сохранность зубов царя, их ровность, крепкость и неизношенность, а царский персонаж фильма практически беззубый.

В фильме царь посещает Филиппа перед смертью в монастыре, после убийства опричники сжигают монастырь. Убийство Малютой Скуратовым Филиппа произошло, по мнению большинства историков, в Отрочем Успенском монастыре в Твери в декабре 1569 года; есть также оспариваемые версии, что тот был сожжён на углях в Александрове. Историки не пришли к единому мнению относительно того, что приказ об убийстве был отдан царём. Да и никакой встречи царя и бывшего митрополита перед убийством не было. Согласно ещё одной версии убийство совершил не сам Малюта, а один из его сподручных. После убийства Филипп был погребён за алтарём, приказ вырыть ров был отдан Малютой. Отроч-монастырь не был сожжён опричниками — почти все его постройки были уничтожены лишь сталинским режимом в 1930-е гг.

В фильме племянник Филиппа говорит: «Нас, Колычевых, всего двое осталось, ты да я», хотя уже после смерти Филиппа были казнены ещё несколько Колычевых.

По данным историка Н. Костомарова, голову казнённого племянника Филиппу Колычеву прислали в мешке лишь спустя несколько дней после казни, в фильме казнь происходит на глазах у митрополита, и голову племянника ему вручают сразу же после отсечения.

В действительности конфликт царя и митрополита произошёл 22 марта 1568 года в Успенском соборе Кремля, когда Филипп отказался давать благословение пришедшему в черных ризах и монашеских шапках царю и его опричникам, что вызвало гнев царя. Однако после этого Филипп продолжал проводить богослужения, в частности 28 марта, в Новодевичьем монастыре. Решение о суде над Филиппом по предложению царя приняла Боярская дума. В ноябре того же года состоялся церковный суд. Уже после решения суда Филиппа заставили провести службу, и 8 ноября 1568 года любимец царя Фёдор Басманов во время богослужения в Успенском соборе в Кремле объявил митрополиту о лишении его сана, и опричники сорвали с митрополита одеяния. В фильме же события развиваются на глазах у зрителей в течение пары минут, и в глумлении над Филиппом принимает участие лично царь.

В фильме говорится про то, что Полоцк был сдан без боя. В действительности же город был взят после 20-дневной осады. Также один из воевод говорит, что польские войска возглавляет Жигимонт, хотя на момент взятия Полоцка польско-литовскими войсками князь был уже мертв, осадой командовал король Речи Посполитой Стефан Баторий.

После приговора Филипп содержался в Успенском монастыре, затем в монастыре Николы Старого в Китай-Городе, после чего был переведён в Тверь. В фильме показан лишь один монастырь.

В фильме царь приказывает сослать свою супругу Марию Темрюковну в монастырь незадолго до казни Филиппа, и она присутствует при несостоявшейся казни бывшего митрополита. Однако, согласно историческим данным, опале она подверглась несколькими годами ранее: в феврале 1565 года царь переехал в Александрову Слободу, оставив супругу в Москве и приказав не выпускать её из Кремля. Умерла Мария Темрюковна раньше Филиппа на три месяца — 6 сентября 1569 года, — после совместного путешествия с супругом в Вологду на богомолье в Александрову слободу.

Архиепископ Пимен в фильме показан как подвижник и сочувствующий Филиппу, хотя известно, что «он был одним из обвинителей митрополита Филиппа на соборе 1568 года и вместе с суздальским епископом Пафнутием помог царю инсценировать судебное разбирательство о недостойных поступках митрополита в бытность его соловецким игуменом».

Во время своей публичной казни Иван Колычев читает псалом 90, делая несколько ошибок.

События в фильме разворачиваются в период между 1565 и 1568 годами. Ивану IV, родившемуся в 1530 году, в этот момент 35-38 лет. Петру Мамонову, исполнившему роль царя, на момент съемок было 57-58 лет.

В фильме говорится, что Филипп является другом детства царя, но митрополит родился в 1507 году, а Иван Грозный в 1530 г.

В начальной сцене фильма простолюдины мужского пола, кланяясь царю, не снимают головных уборов, что по нормам тех лет невозможно.