Фильм снят по мотивам романа Владимира Набокова «Лолита» (Lolita: написан на английском языке и опубликован в 1955 году; в 1967 году был выпущен перевод романа на русский, который выполнил сам автор).
На роль Лолиты Кубрик долго не мог выбрать актрису. Летом 1960 года в шоу Лоретты Янг Кубрик заметил 14-летнюю Сью Лайон, которая до этого в течение года работала на телевидении и снималась в рекламе. После встречи с Лайон Кубрик представил её фотографии Набокову, который одобрил выбор. С Лайон был заключен контракт на семь лет.
Кубрик и продюсер фильма Джеймс Б. Харрис для роли Гумберта выбрали британского актёра Джеймса Мейсона. Позднее Кубрик предложил роль Лоуренсу Оливье, который после совета со своими агентами отказался от неё. Кубрик также рассматривал кандидатуру Питера Устинова, но в итоге выбор был остановлен на Мейсоне.
Это был первый фильм, который Стэнли Кубрик спродюсировал самостоятельно в Англии.