Retrouvailles :

Jacques Doillon retrouve Pascal Greggory, qu'il avait déjà dirigé dans Raja, sorti en 2003. L'acteur avait également joué aux côtés de Julie Depardieu dans Le Bal des actrices. Quant à Louis Garrel et Agathe Bonitzer, ils s'étaient croisés sur le plateau de La belle personne, sorti en 2008.

Improvisation :

Jacques Doillon explique que le film a été tourné sans trop tenir compte d'un scénario préalablement établi, de sorte à favoriser l'improvisation des acteurs. Le réalisateur souligne à quel point cette souplesse fut propice au développement de l'intrigue, focalisée sur la rencontre des sentiments des personnages.

Tournage :

Le Mariage à trois a été tourné dans le département de la Charente, aux alentours de la ville d'Angoulême, pendant l'été 2009.

Un trio :

La filmographie de Jacques Doillon comprend plusieurs films où il est question d'une histoire sentimentale axée sur un trio, comme par exemple La Tentation d'Isabelle (1985), Amoureuse (1992) ou Trop (peu) d'amour (1998). Cette thématique, au centre du Mariage à trois, est donc une constante du cinéma de Jacques Doillon.