Для добавления реалистичности фильм снимался на портативную камеру.

При создании фильма режиссеры Энтони Руссо и Джо Руссо черпали вдохновение из фильма «Три дня Кондора» (1975).

Съемки фильма начались 1 апреля 2013 года на студии Manhattan Beach Studios. Первой снимали сцену нападения в лифте.

13 мая 2013 года съемочная группа прибыла в Вашингтон. Там проходили съемки сцены, в которых Стив Роджерс, Черная Вдова и Сокол снимались на фоне самых известных достопримечательностей столицы США, включая монумент Джефферсона, монумент Линкольна, Национальный музей авиации и космонавтики, Капитолий, Национальная аллея, ресторан «Оксиденталь» в отеле «Willard», район Дюпон-серкл и мост Теодора Рузвельта, который впервые в истории был перекрыт для проведения съемок полнометражного фильма.

В рамках подготовки к съемкам Энтони Маки не участвовал в каких бы то ни было тренировках по скайдайвингу. Однако он поддерживал режим, который прописывали всем пилотам реактивных самолетов.

Съемка батальной сцены на борту массивного судна под названием «Лемурианская Звезда» проходила на борту настоящего ракетоносца, пришвартованного в порту Лонг Бич, штат Калифорния.

Съемки самой масштабной боевой сцены фильма проходили на улицах Кливленда и велись двумя полноценными съемочными группами. Для этого многие улицы потребовалось перекрыть, включая проезд к Кливлендскому мемориалу – одну из главных магистралей страны. Съемочные группы работали на протяжении трех недель в самый разгар летнего туристического а. Чтобы убедить чиновников Кливленда дать разрешение на съемки в этот период создателям фильма пришлось заручиться поддержкой огромного количества людей, в том числе мэра, губернатора и главы исполнительной власти округа.

Во избежание утечки информации и возможных спойлеров фильму дали рабочее название «Морозный ожог» (Freezer Burn).

В русской театральной версии фильма, в сцене, где Стив Роджерс достает блокнот со списком знаменательных вещей, в нем можно увидеть «Звездные войны», «Рокки» (1976) и «Москва слезам не верит» (1979). Также в списке отмечены Владимир Высоцкий, Юрий Гагарин и развал СССР. Аналогично для каждой крупной страны или региона (США, Великобритании, Испании, Франции, Австралии, Германии, Италии, Бразилии, Латинской Америки, России и Кореи в частности) была создана своя первая половина списка, включающая наиболее знаковые произведения кинематографа и события в обществе для этой страны. Пункты для списка выбирались голосованием в каждом конкретном регионе. Однако, на цифровые носители вышел унифицированный вариант из американской прокатной версии.

Съемки проходили в Калифорнии, Вашингтоне и Кливленде. Они начались в апреле 2013 года, а закончились в июле.

Когда Капитан допрашивает Джаспера Ситуэлла, тот упоминает Стивена Стрэнджа, это является отсылкой к герою комиксов — Доктору Стрэнджу.

Удаленная сцена из фильма «Мстители» (2012), где Стив узнает, что случилось с его отрядом и Пегги Картер, была включена в этот фильм.

Сцена, где Капитан Америка прыгает с самолета без парашюта, очевидно, является отсылкой к аналогичной сцене из первого выпуска комикса серии The Ultimates.

В рамках подготовки к своей роли Зимнего солдата Себастьян Стэн прошел через пять месяцев физических тренировок и исторических исследований. Он подробно изучал период холодной войны и тему промывания мозгов. Также он целыми днями отрабатывал движения с пластиковым ножом, чтобы на экране они выглядели более естественными.

Режиссер картины Джо Руссо появился в фильме в роли врача, спасающего Черную Вдову от потери крови.

На надгробной доске директора Ника Фьюри, которого сыграл Сэмюэл Л. Джексон, помимо имени и фамилии также видна эпитафия «Путь праведника: Иезекииль 25:17». Именно этот стих произносил персонаж Сэмюэля Л. Джексона в фильме «Криминальное чтиво» (1994).

В квартире Капитана Америки на полке можно заметить книгу Джорджа Буша.