Trong quá trình chuẩn bị cho Huyền sử thiên đô, 2 đạo diễn Phạm Thanh Phong và Đặng Tất Bình đã có các chuyến khảo sát trường quay ở Trung Quốc. Bối cảnh ở đây rất đẹp và hoành tráng. Tuy nhiên, đoàn phim nhận ra rằng những bối cảnh này không phù hợp với Đại Cồ Việt. Họ đã quay về nước tìm và tính phương án dựng những bối cảnh thuần Việt.
Bối cảnh chính cố đô Hoa Lư, hoàng cung nhà Tiền Lê, nhà của các đại thần thành Đại La, vùng chiến trận ... đều được thiết kế, tạo dựng trong nước. Phim trường được dựng ở Hà Nội, Ninh Bình, Bắc Ninh, Hà Tĩnh, Huế, Bình Thuận ... Vì bộ phim nói về thời kỳ đầu Lý Công Uẩn dựng nghiệp, không có nhiều cung điện, đền đài hoành tráng nên đoàn phim có thể hoàn toàn chủ động được bối cảnh mà không cần thuê trường quay ở nước ngoài.
Đạo diễn Tất Bình cho biết "Chúng tôi không có ý định mô tả các cuộc thiên đô ấy nó diễn ra như thế nào, bao nhiêu cái thuyền, tốn bao nhiêu lương thực, xây bao nhiêu cái nhà ... cái đó sau này có điều kiện thì ta cũng làm, nhưng bây giờ, trong điều kiện hiện nay thì theo tôi cách chọn lựa của Nguyễn Mạnh Tuấn là chọn lựa khôn ngoan".
Phim khởi quay từ đầu tháng 5 khi miền Bắc bước vào giai đoạn nắng nóng gay gắt nhất trong năm. Nhiệt độ ngoài trời ở Hà Nội lúc nào cũng trên 40 độ C, mái tôn cộng với máy móc đèn chiếu, khiến cho bên trong trường quay còn nóng hơn. Chính vì thế, với những bối cảnh trong nhà, đoàn phim đã chọn giải pháp quay về đêm là chính. Ấy thế mà cũng chỉ được một vài tiếng là những bông hoa sen đã héo quắt, còn đoàn làm phim thì mỗi người chọn cho mình một cách làm dịu đi cái nóng đến bức bối trong trường quay.
Là phim lịch sử nên trang phục, đầu tóc phải hết sức cầu kỳ. Việc trang điểm, làm tóc cho diễn viên do các chuyên gia Trung Quốc đảm nhiệm. Thường thì họ phải mất tới 1, 2 tiếng cho mỗi diễn viên.
Trong cái nắng nóng của Hà Nội những ngày tháng 5, các diễn viên Công Dũng (vai Lý Công Uẩn) và Trung Dũng (vai Lê Long Đĩnh) thường xuyên phải mặc trên người những bộ võ phục và áo giáp (được làm bằng vải, da, sắt), tính ra cũng nặng tới gần chục kg. Có khi mồ hôi chảy ròng ròng trong người mà không gãi được. "Trời giữa mùa hè nắng nóng, những cảnh quay thực hiện trên miền núi, khí hậu như thiêu như đốt, lại còn nhiều muỗi, côn trùng. Có hôm thấy các diễn viên mặc nguyên quần áo vua chúa, nằm lăn ra tảng đá vì mệt... Nhưng trên những thước phim thì không hề thấy sự mệt mỏi”, đạo diễn Phạm Thanh Phong cho biết.
Giáng My cũng khiến nhiều người ngạc nhiên khi quay với cường độ cao liên tục, trong cái nóng hầm hập nhưng hễ lên hình là mặt lúc nào cũng tươi rói. "Quả thật là cũng vinh dự cho tôi vì đây là một vai đòi hỏi sự thể hiện chững chạc, chín chắn, và cũng khó vì những người bạn diễn có người đóng vai con của tôi thì hơn cả tuổi tôi, có người trước chỉ đóng chồng hoặc bạn. Thế thì làm sao vào vai thể hiện là một vai Phụng Càn Hoàng hậu làm sao để người ta trông vào người ta thấy là chững chạc hơn cái tuổi. Đấy là điều tôi phải phấn đấu rất nhiều cho cái vai diễn của mình", diễn viên Giáng My chia sẻ.
Khi được hỏi về nhân vật Lê Long Đĩnh mà mình thủ vai, diễn viên Trung Dũng cho biết: "Ông ta là một nhân tài, vì thế được Lê Hoàn trọng dụng, cho cầm quân đi dẹp loạn. Ông cũng biết trọng nhân tài, đã từng tìm cách chiêu mộ Lý Công Uẩn… Con đường lên ngôi của ông ta là bất chấp tất cả,… Nói về vai diễn thì đây là một vai hấp dẫn. Trong nghề, Dũng không ngại vai chính diện hay phản diện. Vai này thực sự là một vai hay, và xác định phải làm sao để khắc họa được cá tính của nhân vật, để khán giả tin đây chính là Lê Long Đĩnh…”