L'histoire de CHLOÉ commence en France il y a six ans avec la sortie de NATHALIE... d'Anne Fontaine. Le producteur Ivan Reitman, intéressé par cette intrigue décide de faire appel à Erin Wilson pour la réécriture du scénario, conquis par « la juste note d'érotisme ironique » de ses précédents travaux. Pour la réalisation, Reitman propose le projet à Atom Egoyan, pourtant auteur de ses propres films. Il accepta, séduit à la lecture du scénario, y retrouvant ses thèmes et ses préoccupations de cinéaste : « Je m'intéresse énormément au processus de narration, et à la manière dont les gens racontent leur propre vie. CHLOÉ est une merveilleuse observation de cette notion. »

« Cette notion » est, dans CHLOÉ, au service d'une intrigue forte qui fait dire à Julianne Moore : « C'est un film dramatique qui prend les aspects d'un thriller ». L'actrice précise cependant que « c'est avant tout un film sur le comportement. » Envahie par la peur et la certitude que son mari la trompe, le personnage de Julianne Moore, Catherine, déclenche l'histoire sur la simple base d'une intuition. Pour Egoyan, cette suspicion est, avec la réserve, l'un des pôles entre lesquels les partenaires d'un couple doivent graviter: « Comme l'a écrit Rilke, il relève du rôle d'un partenaire de protéger la solitude de l'autre, et pourtant il faut parvenir à trouver l'équilibre entre le respect de sa solitude et le risque de le perdre. » CHLOÉ raconte ce difficile équilibre et l'expérience d'une femme qui cherche à en saisir le cadre en en sortant.

Cependant, comme le fait remarquer le réalisateur : « Nous avons besoin d'avoir l'impression que nous exerçons un contrôle sur la manière dont ces histoires évoluent, même si nous ne maîtrisons absolument pas les variables ». Désireuse de savoir et de comprendre ce qui arrive à son couple, Catherine provoque une intrigue dont la maîtrise lui échappe et devient ainsi un parallèle intéressant avec l'écrivain au travail et sa relation avec ses personnages.