На роль главной героини рассматривались профессиональные балерины, в частности, прима Мариинского театра Диана Вишнева. Однако окончательный выбор режиссера пал на польскую актрису Михалину Ольшанску, чья имя хранилось в строжайшей тайне вплоть до завершения съемок.
Одним из претендентов на роль Николая II выступал Данила Козловский, но в итоге императора сыграл известный немецкий театральный актер Ларс Айдингер. В свою очередь, Козловский также остался в проекте, но уже в образе офицера Воронцова, еще одного преданного поклонника Кшесинской.
Роль матери Николая II, императрицы Марии Федоровны, досталась Ингеборге Дапкунайте. Примечательно, что ранее актрисе довелось сыграть его жену, Александру Федоровну, в сериале «Григорий Р.». По ее словам, одной из главных сложностей на съемках «Матильды», оказалось очень тяжелое платье: ее костюм со всеми украшениями весил около 20 кг.
Специально для съемок проекта, которые проходили в 2014 году в Санкт-Петербурге, были выстроены масштабные декорации Успенского собора Кремля со всем внутренним убранством, исторические сцены Большого и Мариинского театров, интерьеры царских покоев.
Большое значение создатели проекта придавали достоверному отображению эпохи, поэтому много усилий было потрачено на создание точных копий костюмов, украшений, императорских корон и государственных знаков отличий: орденов и наград.
Всего для фильма было создано более 7 000 костюмов.
В сцене коронации Николая II принимали участие около 300 человек массовки.
Еще до выхода экраны, картина оказалась в эпицентре скандала. В ноябре 2016 году ряд общественных организаций, а также депутат Государственной Думы Наталья Поклонская сделали запрос в прокуратуру с требованием проверить художественное произведение на предмет возможных искажений фактов и выставлении Николая II в порочащем его свете.
Премьера картины планировалась на начало 2016 года, но была перенесена сначала на осень 2016-го, затем на март 2017 года, а в итоге состоялась в октябре 2017-го.