Charlize Theron ha avuto più di otto personal trainer prima dell'inizio delle riprese di Atomica bionda al fine di essere in grado di affrontare le intense prestazioni fisiche alle quali, David Leitch, il regista del film, aveva intenzione di sottoporla. L'attrice si allenò anche con Keanu Reeves che in quel momento si stava preparando per John Wick - Capitolo 2.
Secondo la stessa Theron tutti i personal trainer con cui ha lavorato sono stati essenziali per la sua preparazione anche se "praticamente ognuno di loro riusciva a farla vomitare per lo sforzo ogni singolo giorno". Durante l'allenamento Charlize si è incrinata una costola e si è rotta svariati denti che in seguito è stata costretta ad aggiustare con un intervento chirurgico.
Nel luglio 2017 Leitch, che in passato aveva già co-diretto il primo capitolo di John Wick, ha parlato pubblicamente di un potenziale crossover tra Atomic Blonde e il franchise in cui recita Reeves. Il regista ha affermato che tutte le persone coinvolte hanno discusso la cosa e sono arrivate alla conclusione che il film sarà realizzato non appena qualcuno riuscirà a scrivere una sceneggiatura che sia all'altezza dei personaggi.
La pellicola è l'adattamento cinematografico della graphic novel del 2012 The Coldest City, scritta da Antony Johnston e illustrata da Sam Hart. Sul sito Rotten Tomatoes il film ottiene il 78% delle recensioni professionali positive, con un voto medio di 6,56 su 10, basato su 329 critiche. Il consenso critico del sito web recita: "Atomica bionda resiste grazie alle sequenze d'azione e alla sempre magnetica Charlize Theron che è essenziale per compensare una narrazione poco incisiva."