W roli matki rotmistrza Andrzeja wystąpiła Maja Komorowska, natomiast Agnieszka w wykonaniu Magdaleny Cieleckiej została wystylizowana na Antygonę okresu wojny, dążącą do zapewnienia swojemu zamordowanemu bratu przynajmniej namiastki mogiły.
Zdjęcia mały|Scenografia do filmu Katyń na Rynku Głównym w Krakowie, widok na Sukiennice Zdjęcia do Katynia zrealizował ceniony operator Paweł Edelman, dla którego film Wajdy był okazją do powrotu do branży filmowej po trzech latach nieobecności. Kostiumy do filmu wykonała Magdalena Biedrzycka wespół z Andrzejem Szenajchem, natomiast scenografię opracowała Magdalena Dipont. Zdjęcia do filmu rozpoczęto 3 października 2006, a ukończono 9 stycznia 2007. Łączny budżet Katynia wyniósł prawie 15 milionów złotych.
Zdjęcia plenerowe kręcone były w następujących lokacjach: Jarosław, most kolejowy w Wyszkowie, gmina Poświętne (Kościół św. Józefa w Studziannie), Kasina Wielka, Warszawa (ul. Solariego, Cytadela, ul. 11 listopada, budynek ZASP-u przy Al. Ujazdowskich, ul. Złota, ul. Senatorska, ul. Oczki), Zielonka, poligon w Wesołej (filmowy las katyński), Kraków (Rynek Główny, ul. Poselska, Planty, ul. Św. Marka, Teatr Słowackiego, ul. Dolnych Młynów, ul. Grottgera, Akademia Muzyczna, ul. Kanonicza, ul.