Jacques Demy avait d'abord fait appel à Catherine Deneuve et Gérard Depardieu. Mais les deux comédiens tenaient à chanter avec leur propre voix, ce à quoi le réalisateur s'est montré totalement opposé. L'héroïne des Les Parapluies de Cherbourg sera en froid pendant plusieurs années avec le réalisateur suite à ce désaccord. Celui-ci s'est finalement tourné vers Richard Berry et Dominique Sanda, qu'il avait déjà dirigée deux ans plus tôt ans le téléfilm La Naissance du jour.
Les extérieurs ont été tournés à Nantes, la ville où a grandi le cinéaste (on voit notamment le Passage Pommeraye, comme dans Lola sorti en 1961). En revanche, les scènes d'intérieur ont été tournées en studio, à Boulogne-Billancourt.
Jacques Demy a commencé à songer à Une chambre en ville dans les années 50, au moment où Nantes a connu des grèves. Ce projet a une dimension fortement autobiographique, car le réalisateur a grandi à Nantes et vient lui-même d'un milieu modeste.
Son complice habituel Michel Legrand n'ayant guère été convaincu par le scénario, Jacques Demy a demandé à Michel Colombier de composer la partition d'Une chambre en ville. Connu notamment pour ses collaboration avec Pierre Henry (Messe pour le temps présent) et Serge Gainsbourg (Elisa, Anna), il a composé des dizaines de musiques de films, d'abord en France (Le Jardinier d'Argenteuil, Un flic) puis, à partir des années 80, aux Etats-Unis (Purple Rain, Cop).
Une polémique est née dans la presse lors de la sortie en salles simultanée de L'As des As (1982) de Gérard Oury et d'Une chambre en ville. Des critiques de Libération et Télérama ont regretté que la comédie avec Jean-Paul Belmondo attire les foules grâce à une campagne publicitaire massive au détriment du film de Jacques Demy. Le premier a réuni plus de 460 000 spectateurs en première semaine, tandis que le second a dû se contenter de 20 000.
Avant d'être nommé Une chambre en ville, le titre du film alors qu'il était à l'état de projet était "Edith de Nantes".