Ý tưởng đầu tiên của bộ phim đến từ một cuộc trò chuyện giữa Ngô Thanh Vân và nhà thiết kế Thủy Nguyễn, cả hai muốn làm một bộ phim về phụ nữ Việt Nam.[3] Ngô Thanh Vân còn là một người có tình cảm đặc biệt với áo dài. Vào dịp tết Đinh Dậu 2017, nhiều tranh cãi về áo dài nổ ra khiến Ngô Thanh Vân nhận thấy "nhiều bạn trẻ không hiểu về áo dài và phần nào tình cảm dành cho áo dài vơi đi". Vì vậy, cô và Thủy Nguyễn "ấp ủ" ý định đưa "áo dài thời xưa lên màn ảnh rộng" để mọi người thấy được "sự đẹp đẽ, mộng mơ của một người phụ nữ với áo dài".[4]Sau nhiều giai đoạn viết và thay đổi ý tưởng, Ngô Thanh Vân có lúc phải viết lại toàn bộ kịch bản Cô Ba Sài Gòn. Chỉ đến khi đọc được kịch bản từ biên kịch Kay Nguyễn, cô mới "mới thở phào nhẹ nhõm vì mình đang cầm trong tay một cuốn phim vừa tôn vinh tà áo dài, vừa đi đúng tinh thần như đã định hướng."[3]

Để hóa thân thành nhân vật Như Ý, Ninh Dương Lan Ngọc cho biết cô không những phải tìm hiểu và tập luyện cách ăn nói, đi đứng cho giống với cô gái vào thập niên 1960-1970 mà còn phải học thêm tiếng Pháp.[5]:24:05

Phục trang trong phim do nhà thiết kế Thủy Nguyễn thiết kế. Cô cho biết "ý tưởng của những chiếc áo dài trong phim, đặc biệt là các thiết kế với hoạ tiết gạch bông quen thuộc được truyền cảm hứng từ chính thành phố Sài Gòn và ngôi nhà thân thương một thời của tôi", là "nỗi nhớ nhung trìu mến dành cho Hòn Ngọc Viễn Đông của những năm 60 với tinh thần tươi mới, vô cùng tinh tế và sành điệu".[6] Bên cạnh áo dài, phim còn đề cập đến những bộ trang phục phương Tây đang rất thịnh hành vào thập niên 1960 như như váy liền chữ A, váy bút chì, váy suông.[7]

Lý giải tên phim Cô Ba Sài Gòn, Ngô Thanh Vân cho biết từ "cô Ba" nhằm gợi nhớ đến hình ảnh người phụ nữ miền Nam thời xưa chứ không phải tên riêng và khẳng định đã đăng kí bản quyền tên này để tránh nhầm lẫn với một số thương hiệu ẩm thực, mỹ phẩm.[4][8]

Nhạc phim

Ca khúc chủ đề cùng tên với bộ phim, do Đông Nhi trình bày, được Nguyễn Phúc Thiện viết lời và sản xuất bởi Only C—người mô tả bài hát "đơn thuần là một ca khúc pop, giai điệu dễ nhớ nhưng ca từ gửi gắm nhiều điều" với thông điệp khuyến khích "khán giả thêm yêu tà áo dài Việt hơn".[9] "Tân thời", ca khúc cuối phim Cô Ba Sài Gòn do Jun Phạm thể hiện, được nhạc sĩ Huỳnh Hiền Năng hòa âm, phối khí theo phong cách retro, cổ điển. Theo Tuổi Trẻ, nội dung của ca khúc "nói về sự khác biệt" giữa thế giới ở thập niên trước và thế giới hiện đại ngày nay—nơi mà "có vẻ như con người quên mất sự hiện diện của mọi người xung quanh, cũng không còn sử dụng những cách giao tiếp hay liên lạc đơn thuần như trước kia".

S.T. sáng tác và trình bày ca khúc "Vì Anh Luôn Ở Đây". Đây là ca khúc mà anh dành tặng cho bộ phim, do Lou Hoàng viết lời và sản xuất bởi Tuấn Mario.[10] Người Lao Động mô tả ca khúc là một "bản ballad nhẹ nhàng và sâu lắng nói về sự băn khoăn của chàng trai trong chuyện tình yêu bản thân. Vẫn luôn luôn mong chờ có một cái kết đẹp; dù có trải qua bao nhiêu khó khăn hay thử thách đi nữa thì chàng trai vẫn sẽ luôn luôn bên cạnh bảo vệ và động viên cô gái ấy đến cùng".[11]

Trước khi phim công chiếu, nhà sản xuất trình làng hai ca khúc "Cô Ba Sài Gòn" và "Tân thời" vào ngày 20 tháng 10 và 7 tháng 11 năm 2017.[12] Album nhạc phim phát hành độc quyền trên nhac.vn vào ngày 29 tháng 11 năm 2017.[13][14] Ba ca khúc "Cô Ba Sài Gòn", "Tân thời", "Vì Anh Luôn Ở Đây" lần lượt ra mắt video ca nhạc vào ngày 16, 19 và 22 tháng 11 năm 2017.[15][16][17]