Zimna wojna została na etapie projektu oceniona przez ekspertów Polskiego Instytutu Sztuki Filmowej jako bardzo dobra i decyzją dyrektor Magdaleny Sroki dofinansowana kwotą 3 milionów złotych, a w trakcie postprodukcji nowe kierownictwo Radosława Śmigulskiego podwyższyło ową kwotę o 1 milion złotych na potrzeby prezentacji filmu przed Festiwalem Filmowym w Cannes.
Główną rolę męską otrzymał Tomasz Kot, gdyż Pawlikowski był pod wrażeniem odegranej przez aktora roli Zbigniewa Religi w filmie Bogowie (2014) Łukasza Palkowskiego. Z odtwórczynią roli Zuli, Joanną Kulig, Kot współpracował jeszcze podczas prac zdjęciowych nad filmem Disco polo (2015) Macieja Bochniaka. Kulig była zaznajomiona z metodami pracy Pawlikowskiego, gdyż uczestniczyła w zdjęciach zarówno do Kobiety z piątej dzielnicy (2011), jak i Idy. Kulig opisywała w następujący sposób metodę twórczą reżysera: „Żeby ustawić perfekcyjnie kadr, nadać odpowiednie światło wydobywające muzykalność i emocje, każe powtarzać sceny 15, 20 razy. Czasami więcej”. Oboje aktorów przygotowywało się do swych ról w inny sposób. Podczas gdy Kulig pobierała lekcje śpiewu w Zespole Pieśni i Tańca „Mazowsze”, Kot uczył się dyrygowania pod okiem Marcina Maseckiego.