निल बट्टे सन्नाटा का निर्देशन अश्विनी अय्यर तिवारी ने किया है; एक निर्देशक के तौर पर यह उनकी पहली फ़िल्म है। इस फ़िल्म का विचार उन्हें शिकागो स्थित एक विज्ञापन कंपनी लियो बर्नेट वर्ल्डवाइड के साथ हिन्दी धारावाहिक कौन बनेगा करोड़पति के एक प्रचार वीडियो पर काम करते हुए आया था। द इंडियन एक्सप्रेस के साथ एक साक्षात्कार में, अय्यर ने कहा कि "निल बट्टे सन्नाटा की कहानी प्रासंगिक होने के साथ-साथ प्रेरणादायक भी है"। फ़िल्म की पटकथा अय्यर, नीरज सिंह, प्रांजल चौधरी और नितेश तिवारी द्वारा लिखी गई है। इस पटकथा को देखने के बाद, जेएआर पिक्चर्स के अजय जी राय ने फिल्म का निर्माण करने का फैसला किया, और अय्यर पर ही इसे निर्देशित करने के लिए जोर दिया। हालांकि शुरुआत में अनिच्छुक, अय्यर ने निर्देशित करने के लिए सहमति व्यक्त कर दी, और अपनी तैयारी के रूप में सिनेमैटोग्राफी के प्रमुख पहलुओं को सीखना आरम्भ किया। गेवमिक यू एरी ने फिल्म में छायाकार के रूप में काम किया, और कुणाल शर्मा ने ध्वनि विभाग का नेतृत्व किया। फिल्म के सभी दृश्य प्रभाव हैदराबाद में स्थित मोशन पिक्चर पोस्ट-प्रोडक्शन स्टूडियो प्रसाद फिल्म लैब्स द्वारा प्रदान किए गए थे, और वेशभूषा सचिन लोवलेकर द्वारा डिजाइन की गई थी।

मुकेश छाबड़ा फ़िल्म के कास्टिंग निर्देशक थे। सर्वप्रथम स्वरा भास्कर को चंदा सहाय की भूमिका के लिए चुना गया, जो एक १५ वर्षीय लड़की की एकल माँ की थी। अपने करियर के प्रारम्भिक काल में ही पर्दे पर माँ की भूमिका निभाने के बारे में भास्कर शुरू में संशय में थी, हालाँकि उन्होंने पटकथा पढ़ने के बाद अपना मन बदल लिया। भूमिका को बेहतर तरीके से समझने के लिए, भास्कर आगरा में पेशेवर नौकरानियों के साथ रही, जहाँ फिल्म की कहानी सेट है। इसी क्रम में उन्होंने एक हैंडबैग, एक कंघी, एक पॉकेट मिरर और रबर की चप्पल समेत कई सामान भी खरीदे। एक किशोर बेटी को संभालने संबंधी दृश्यों के लिए उन्होंने अपनी माँ के अनुभवों से मार्गदर्शन प्राप्त किया। फिल्म की रिलीज के बाद, भास्कर ने डीएनए के साथ एक साक्षात्कार में कहा कि हिंदी फिल्म उद्योग में उनके दोस्तों ने उन्हें सलाह दी कि वे इस भूमिका को न निभाएं क्योंकि उन सबको लगा था कि यह उनके "करियर की आत्महत्या" होगी। वह परियोजना में भाग लेने के लिए सहमत हो गई क्योंकि "कहानी [उनके] दिमाग में रही।" फ़िल्म की अगली प्रमुख भूमिका नायिका की १५ वर्षीय बेटी की थी, जिसके लिए रिया शुक्ला को लखनऊ में एक ऑडिशन के बाद चुना गया। रत्ना पाठक और पंकज त्रिपाठी ने फिल्म में सहायक भूमिकाएँ निभाई हैं। इसके अतिरिक्त लगभग २५ स्थानीय बच्चों ने विद्यालय के छात्रों की भूमिका निभाई। A group of around 25 local children played the students at the school.

निल बट्टे सन्नाटा की प्रधान फोटोग्राफी मई २०१४ में आगरा में शुरू हुई, और नवंबर के अंत तक पूरी हो गई थी। आगरा के कई स्थानों पर, क्रू को "अति उत्साही भीड़" का प्रबंधन करना मुश्किल लगा। इसके तुरंत बाद संपादन की प्रक्रिया शुरू हुई, और पिक्सोन स्टूडियो के चंद्रशेखर प्रजापति द्वारा इसकी देखरेख की गई। फ़िल्म के एडिटर कट को राष्ट्रीय फिल्म विकास निगम फिल्म बाज़ार में वर्क-इन-प्रोग्रेस लैब में भी प्रस्तुत किया गया था। भारत में एरोस इंटरनेशनल द्वारा वितरित निल बट्टे सन्नाटा का अंतिम कट कुल १०४ मिनट का था।

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