Đạo diễn Leon Quang Lê chia sẻ niềm yêu thích từ khi còn nhỏ với bộ môn nghệ thuật cải lương chính là điều khiến anh ấp ủ dự án này. Tên nhân vật Linh Phụng cũng chính là tên khai sinh của anh.[6] Leon Quang Lê còn chia sẻ ý tưởng cho Song Lang cũng đến từ Năm Cam, người mà anh được nghe kể là tên trùm tội phạm khét tiếng nhưng lại "rất mê xem hát và luôn mở tiệc ở nhà mời đào kép tới.". Anh cho rằng chính nghệ thuật đã mang hai thế giới hoàn toàn đối lập lại gần nhau.[7] Leon Quang Lê cho biết để bắt tay thực hiện bộ phim, ngoài phải nghiên cứu chuyên sâu về cải lương, anh còn phải học cách truyền tình yêu cải lương đến thế hệ diễn viên trẻ.[3] Phim nhận được sự cố vấn từ soạn giả Hoàng Song Việt và tham gia diễn xuất của nhiều nghệ sĩ cải lương cạo gội.[8] Song Lang cũng được đạo diễn thừa nhận chịu ảnh hưởng từ phong cách phim của Vương Gia Vệ.[7]

Trước khi Ngô Thanh Vân đồng ý sản xuất Song Lang chỉ sau 2 ngày nhận kịch bản, bộ phim đã bị từ chối bởi rất nhiều nhà sản xuất khác ở Việt Nam.[9] Trong quá trình thực hiện bộ phim, Ngô Thanh Vân nhiều lần yêu cầu đạo diễn Leon Quang Lê thêm vào những cảnh thân mật giữa hai nhân vật chính nhằm thu hút thị hiếu khán giả. Tuy nhiên, nam đạo diễn nhất quyết từ chối yêu cầu này.[10] Anh chia sẻ rằng mình cảm thấy "bức bối với cách những nhân vật đồng tính được khắc họa trong những bộ phim điện ảnh thời gian qua" và anh muốn Song Lang là một "bộ phim mà trong đó, các nhân vật chính không có bất kỳ tương tác nào về mặt thể xác. Thông qua đó, trao cho khán giả cơ hội nhìn nhận họ dưới góc độ là những con người bình thường."[6] Trong một lần chia sẻ về lý do chọn lựa hai diễn viên chính, đạo diễn Leon Quang Lê cho rằng anh nhìn thấy được "sự mong manh, dễ vỡ và cô đơn" của một ngôi sao "rất giống với Linh Phụng" ở Isaac trong khi Liên Bỉnh Phát rất hợp vai "không chỉ về ngoại hình mà cả tâm hồn". Ngoài ra, để có được những tương tác tự nhiên trước ống kính, anh đã bắt cả hai giao tiếp rất nhiều cùng nhau.[11]

Về mặt phục trang, phim nhận được sự trợ giúp từ truyền nhân Kim Phượng của gánh hát Huỳnh Long, người đã có hơn ba mươi năm kinh nghiệm trong việc làm đồ diễn cho nghệ sĩ cải lương. Màu sắc, hoa văn và cách đính hạt kim sa của từng bộ trang phục đều được cân nhắc cho phù hợp với vai diễn và thời điểm lịch sử. Ngoài ra, chiếc áo lông ngỗng của Mỵ Châu trong phim được thực hiện bởi đội ngũ sản xuất của nhà thiết kế Nguyễn Công Trí trong thời gian 1 tháng.[12]

Bên cạnh các bối cảnh được tạo dựng, đa phần các cảnh quay trong phim được thực hiện tại quận 5, nơi mà đạo diễn cho rằng vẫn còn giữ được "nét đẹp mộc mạc vốn có trước đây của thành phố".[6] Đoàn làm phim cũng gặp khó khăn trong việc tìm kiếm rạp hát cải lương phù hợp với bối cảnh sau giải phóng năm 1975, vốn là địa diểm chính thực hiện những phân đoạn cải lương trong phim.[13] Leon Quang Lê chia sẻ tuy quay trong thời gian dài và tốn nhiều kinh phí hơn so với dự định, anh tự hào vì đã hoàn thành được bộ phim với kinh phí cuối cùng của Song Lang vẫn còn thấp hơn kinh phí của một "phim hài nhảm" đương thời.[14]