Фильм основан на серии комиксов Джо Саймона и Джека Кирби.

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 UFC в полусреднем весе (с 2007 по 2013 год).

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 этого персонажа 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.

13 мая 2013 года съемочная группа прибыла в Вашингтон. Там проходили съемки сцены, в которых Стив Роджерс, Черная Вдова и Сокол снимались 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.

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.

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 российской театральной версии фильма, в сцене, где Стив Роджерс достает блокнот со списком знаменательных вещей, в нем можно увидеть «Звездные войны», «Рокки» (1976) и «Москва слезам не верит» (1979). Также в списке отмечены Владимир Высоцкий, Юрий Гагарин и развал СССР. Аналогично для каждой крупной страны или региона (США, Великобритании, Испании, Франции, Австралии, Германии, Италии, Бразилии, Латинской Америки, России и Кореи в частности) была создана своя первая половина списка, включающая наиболее знаковые произведения кинематографа и события в обществе для этой страны. Пункты для списка выбирались голосованием в каждом конкретном регионе. Однако, на цифровые носители вышел унифицированный вариант из американской прокатной версии.

Съемки проходили в Калифорнии, Вашингтоне и Кливленде. Они начались в апреле 2013 года, а закончились в июле.

Анна Кендрик, Фелисити Джонс, Имоджен Путс, Тереза Палмер, Элисон Бри, Эмилия Кларк, Мэри Элизабет Уинстэд, Элизабет Олсен и Джессика Браун-Финдли рассматривались на роль Шэрон Картер.

Когда Капитан допрашивает Джаспера Ситуэлла, тот упоминает Стивена Стрэнджа, это является отсылкой к герою комиксов — Доктору Стрэнджу.

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.

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).

В квартире Капитана Америки на полке можно заметить книгу Джорджа Буша.

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.

«Тетродотоксин б» (вещество, которое замедлило сердцебиение Фьюри) — яд рыбы фугу. Он для организма смертелен и для подобных целей не используется.

Истребители ЩИТа — самые современные в своем роде. Но один парень с малым количеством гранат взрывает весь авиапарк ЩИТа за 3 минуты.

На 63 минуте фильма компьютерная проекция доктора Зола говорит, что Наташа Романофф родилась в 1984 году. Далее в фильме, на 71 минуте героиня Йоханссон заявляет, что похоже она "променяла КГБ на "Гидру". Комитет государственной безопасности СССР существовал с 1954 по 1991 годы, а это значит, что Наташа Романофф состояла в этой организации будучи еще совсем ребенком.