《湄公河行动》是彭于晏与林超贤的第三次合作。
在一场警匪追逐戏份中，有300人参与。
影片女一号冯文娟为符合角色要求，剪掉长发变成了寸头。
剧组请来泰王保镖负责演员们的动作训练，包括射击、近身格斗等项目。
主演彭于晏之前从没接受过专业射击训练 ；开机前他接受了枪械训练以及与缉毒犬相处等连串特训，还练习泰文及缅甸语。
片中的绿色电灯和帮派分子佩戴的首饰等道具，都是林超贤从泰国旧货市场搜罗的“战利品”。
影片中伍麟凯出演一名金边中国特警，全片都用泰语对白。
吴旭东为了参演该片不仅把皮肤晒得更黑，还请了散打教练对自己进行格斗训练。
在马来西亚沼泽拍摄之时，导演林超贤不慎被长达六寸的毒蜈蚣咬伤脚踝，甚至一度休克。
陈宝国出演过电视剧《湄公河大案》里的公安部部长总警监，在电影中再次饰演了这个角色。
出品方博纳影业集团的总裁于冬在电影中客串了公安部副总警监。