Tâm hồn mẹ có kinh phí sản xuất 6,6 tỉ VNĐ,[1] trong đó Nhà nước đầu tư 4 tỷ đồng, phần còn lại từ tài trợ của Quỹ điện ảnh Phương Nam (Fond Sud) của Pháp. Phim được hoàn thiện hậu kỳ tại Thái Lan, phần âm thanh do nhà làm phim người Pháp Franck Desmoulins thực hiện.[2][3] Bộ phim được quay vào cuối năm 2010[4] và hoàn thành vào giữa năm 2011.

Bộ phim được xây dựng kịch bản trong 20 năm, chuyển thể từ truyện ngắn cùng tên của nhà văn Nguyễn Huy Thiệp.[5] Khác với nguyên tác, bộ phim đã chuyển thể câu chuyện với bối cảnh và mốc thời gian cụ thể hơn, bãi giữa sông Hồng, chợ Long Biên, cầu Thăng Long.[6]

Để tìm được diễn viên nhí đóng vai Thu, Phạm Nhuệ Giang đã mất nửa năm tìm kiếm,[7] rong lần đến phim trường Lều chõng, nữ đạo diễn đã tìm được cô bé Hoài Linh, diễn viên nhí mà bà thấy ưng ý nhất.[4] Kịch bản Tâm hồn mẹ được gửi đến khi Hoài Linh đóng phim Lý Công Uẩn - đường tới Thăng Long tại Trung Quốc.[8]