O projeto do filme nasceu em 2005. As produtoras Marcia Braga e Maria Hernandez apresentaram ao diretor Breno Silveira fitas cassetes gravadas por Gonzaguinha, em que ele conversa com o pai, tentando resgatar sua história. O diretor também usou como referência o livro Gonzaguinha e Gonzagão – Uma História Brasileira, de Regina Echeverria.

As filmagens de Gonzaga – de Pai Pra Filho foram iniciadas em Recife, com o registro de um show no Marco Zero. Depois a equipe foi para a Bahia, em Juazeiro e arredores, onde foram montados sets em três lugares diferentes: Curaçá, Poço de Fora e Barro Vermelho.

Cinco mil candidatos se inscreveram no processo de seleção para viver Gonzagão. Atores profissionais conhecidos foram testados, mas o cineasta Breno Silveira optou por três intérpretes, um deles sem experiência em atuação. Land Vieira, de 19 anos, que ganhou o papel do adolescente Luiz Gonzaga, já havia participado das novelas Cama de Gato (2009) e Cordel Encantado (2011).

Adélio Lima, de 40 anos, escolhido para viver Gonzagão na terceira fase, já havia trabalhado em teatro no Nordeste. Como guia do Museu Luiz Gonzaga, em Caruaru, onde nasceu, acostumou-se a reproduzir o cantar e os trejeitos do ídolo.

Nivaldo Expedito de Carvalho, o Chambinho do Acordeon, é paulista de São Bernardo, de origem piauiense, e já fazia shows há 12 anos quando foi escalado para interpretar Luiz Gonzaga na segunda fase. Sanfoneiro profissional, sem experiência em teatro, TV ou cinema, teve aulas com o preparador de elenco Sergio Penna (do filme Bicho de 7 Cabeças, de Laís Bodansky).

Alison Santos, intérprete de Gonzaguinha dos 10 aos 12 anos, foi um dos meninos com quem Breno Silveira trabalhou na preparação do filme À Beira do Caminho, lançado em 2012.Giancarlo Di Tommaso, que viveu Gonzaguinha dos 17 aos 22 anos, foi escolhido em testes.

O gaúcho Julio Andrade, que interpretou Gonzaguinha dos 35 aos 40 anos, já era ator premiado, com experiência em filmes de Jorge Furtado (O Homem que Copiava, 2003) e Beto Brant (Cão sem Dono, de 2006), quando foi escolhido para o papel. Antes de fazer cinema, tocava violão e cantava em bares. Ele emagreceu oito quilos para viver o personagem. Julio Andrade interpretou Arthurzinho, o mordomo de Stela (Maitê Proença) e Saulo (Werner Schünemann), na novela Passione (2010), de Silvio de Abreu.