2006, als Robert Rodriguez anfing, Ideen für eine Fortsetzung von "Sin City" zu sammeln, wollte er Johnny Depp für die Rolle des Wallace, der Hauptfigur der Comic-Episode "Hell And Back", die Rodriguez als eines der drei Filmsegmente zu realisieren hoffte. Rodriguez entschied sich nach der Absage Depps gegen eine Anpassung von "Hell And Back" und wählte stattdessen die Episoden "Just Another Saturday Night", "A Dame To Kill For" und die nie veröffentlichte "The Long, Bad Night" für eine Verfilmung aus. Joseph Gordon-Levitt ersetzte Johnny Depp in der Hauptrolle – wofür er andere hochklassige Chancen ("Guardians of the Galaxy", "Godzilla (2014)") sausen ließ.
Eva Green und Marton Csokas spielen in "Sin City 2" ein Ehepaar (Ava und Damien Lord). Im wirklichen Leben hatten die beiden Schauspieler zwischen 2005 und 2009 eine Beziehung.
"Sin City 2" ist die zweite Adaption eines Comics von Frank Miller, in der Eva Green mitspielt. Zuvor war sie Artemisia in der Fortsetzung "300: Rise of an Empire", die auf Frank Millers Graphic Novel "Xerxes" basiert.
Bevor Eva Green den Part bekam, wurden folgende Damen für die Rolle der verführerischen Eva in Erwähnung gezogen: Salma Hayek, Rose McGowan, Angelina Jolie, Rachel Weisz, Michelle Williams, Helena Bonham Carter, Scarlett Johansson, Anne Hathaway und Jennifer Lawrence.
Dwight McCarthy wurde in "Sin City" (2005) von Clive Owen gespielt – in "Sin City 2: A Dame To Kill For" übernimmt Josh Brolin die Rolle. Brolin spielt eine jüngere Version von Dwight, der sich später einer chirurgischen Operation unterzog – Shellie (Brittany Murphy) erwähnt den Eingriff im ersten Film.
"Sin City" bescherte dem Publikum 2005 ein atmosphärisch einnehmendes, stilistisch frisches Kinoerlebnis. Ensprechend schnell und laut wurde nach einer Fortsetzung gerufen – die neun Jahre auf sich warten ließ. In der Zwischenzeit starben mit Brittany Murphy (Shellie) und Michael Clarke Duncan (Manute) zwei Darsteller aus "Sin City". Manute wurde durch Dennis Haysbert neu besetzt, die Figur Shellie taucht in "Sin City 2" nicht mehr auf. Weil Devon Aoki (Miho) zu Beginn der Produktion schwanger war, wurde ihre Rolle umgeschrieben und ging an Jamie Chung. Zudem wurde Michael Madsen (Bob) durch Jeremy Piven ersetzt.