Jane Fonda si preparò per il ruolo della dottoressa Martha Livingston di Agnese di Dio ricorrendo all'ipnosi e riprendendo il vizio del fumo: questa volta però le sue sigarette erano molto particolari. A proposito delle donne del cast, il regista Norman Jewison osservò: "Abbiamo tre delle attrici più importanti del momento e non capita spesso di girare un film in cui compaiano delle donne in tutti i ruoli principali".
Nella vita reale Jane aveva smesso di fumare dieci anni prima di realizzare questa pellicola ma il suo personaggio, nella sceneggiatura del film, era una fumatrice accanita. Per il ruolo l'attrice ha fumato sigarette non tossiche e senza tabacco a base di canne di tifa, che vengono vendute in negozi specializzati a persone che stanno cercando di smettere di fumare.
La Fonda ha ricordato: "Ho passato in rassegna una serie di sigarette prive di tabacco, una peggiore dell'altra. Alla fine ne ho trovata una che era solo leggermente disgustosa. Ha un odore brutto e brucia la bocca, ma tutto sommato poteva andare peggio."
Al fine di prepararsi al suo ruolo di psichiatra, l'attrice americana ha incontrato psichiatri forensi per osservare diversi ipnotismi e per avere un'idea del loro lavoro e del tipo di formazione che hanno ricevuto nel corso degli anni; la Fonda voleva saperne di più a proposito della psichiatria professionale a tutto tondo e soprattutto voleva sapere che cosa fanno gli psichiatri quotidianamente.
Jane Fonda ha commentato gli aspetti metafisici della trama di Agnese di Dio: "Ciò che ti costringe a fare è iniziare a sondare come ti senti riguardo ai miracoli, alla fede, all'innocenza, al bisogno umano di credere in cose che non possono essere spiegate a parole. Sono domande fondamentali che sono state dibattute per secoli. Questo film non fornisce una risposta ma solleva di nuovo la domanda in un contesto artistico".