2013年6月7日、マーベル・スタジオは破損して変色したキャプテン・アメリカの盾が描かれたティーザーポスターを公開した。『ロサンゼルス・タイムズ』は「続編で（キャプテン・アメリカの）深刻な戦いが描かれる可能性があることを示唆している」と報じ、また『ローリング・ストーン』は「続編のダークなテーマを暗示している」と評した。翌月、マーベル・スタジオ社長でプロデューサーのケヴィン・ファイギ、監督のルッソ兄弟、キャストのクリス・エヴァンス、スカーレット・ヨハンソン、サミュエル・L・ジャクソン、セバスチャン・スタン、アンソニー・マッキー、コビー・スマルダーズ、エミリー・ヴァンキャンプ、フランク・グリロがコミコン・インターナショナルのパネルに登場し、フッテージ映像が公開された。さらにマーベルは『キャプテン・アメリカ/ザ・ファースト・アベンジャー』のキャプテン・アメリカとハウリング・コマンドーズを描いたスミソニアン型のブースを展示した。7月末、ディズニーXDのディズニー・ファンダムのイベントでマーベルの他のフェイズ2映画と共に映像が上映された。2013年8月、ディズニーのD23エキスポにファイギ、エヴァンス、スタン、マッキーが出席し、クリップ映像が上映された。2013年9月、マーベルは『キャプテン・アメリカ/ザ・ファースト・アベンジャーズ』からのハーレーダビッドソンとの提携を継続し、劇中でキャプテン・アメリカは同社のソフテイル・ブレイクアウトのオートバイに乗ることを発表した。2013年10月、マーベルは最初の予告編を公開した。2014年2月2日、第48回スーパーボウルで『キャプテン・アメリカ/ウィンター・ソルジャー』のテレビ広告が流された。『ハリウッド・リポーター』はディズニーは30秒あたりに400万ドル以上を支払っていると報じている。2013年3月18日、ABCは1時間の特別番組『Marvel Studios: Assembling a Universe』で『キャプテン・アメリカ/ウィンター・ソルジャー』のスニークピークを公開した。2014年4月1日、エヴァンスとスタンは映画の劇場公開を記念してニューヨーク証券取引所のオープニングベルを鳴らした。
特殊効果にはインダストリアル・ライト&マジックとスキャンラインVFXを含む5社が参加した。2013年12月、翌月に追加撮影を行う予定が組まれた。『アベンジャーズ』及び『アベンジャーズ/エイジ・オブ・ウルトロン』の監督であるジョス・ウィードンはエンドクレジット後の場面のうちの1つを監督し、そこでクイックシルバーとスカーレット・ウィッチが初登場した。
2013年4月1日よりロサンゼルスのローリー・マンハッタン・ビーチ・スタジオで、『Freezer Burn』というワーキングタイトルを使って撮影が始まった。「Lumerian Star」の場面はカリフォルニア州ロングビーチにドッキングしていたシーローンチ・コマンダーで撮影された。5月上旬、ドミニク・クーパーはハワード・スタークを再演することを明かした。5月13日、製作はワシントンD.C.に移り、ナショナル・モールとセオドア・ルーズベルト橋で撮影が行われた。ギャリー・シャンドリングが『アイアンマン2』のスターン上院議員役を再び務めることが明かされた。ワシントンD.C.では他にウィラード・ホテルとデュポン・サークルで撮影が行われた。5月17日にクリーブランドでの撮影が始まり、6月中旬までにウェスト・ショアウェイやカヤホガ・ハイツの南下水処理場、レイクビュー・セメタリー・ダムでのロケが予定された。クリーブランドはワシントンD.C.としてスタンドインとして選ばれ、東6番街はサウスウェストD.C.の7番及びD番街のダブルとして撮られた。クリーブランドでは他にクリーブランド連邦準備銀行、クリーブランド公立図書館、クリーブランド州立大学、クリーブランド・アーケード、タワー・シティ・センター、クリーブランド美術館、ウェスタン・リザーブ歴史協会でロケが行われた。インテリアショットは民家やトレモントのピルグリム組合教会内部で撮影された。クリーブランドでの撮影は2013年6月27日に完了した。撮影監督には『第9地区』や『エリジウム』で知られるトレント・オパロックが雇われた。オパロックは監督が『マラソンマン』や『コンドル』のような1970年代のスリラーの「砂のような、現実的な世界」に触発されたと述べている。オパロックは「我々の出発点は、このストーリーとこのキャラクター、キャプテン・アメリカをベースとした現実世界だ。我々は古典的なフレーミングと自然照明について話した。我々の注視のもう1つの鍵は頻繁に手持ち撮影を行うオペレーターのアンドリュー・ロリンズとイアン・フォックスの素晴らしい仕事ぶりだった。しかし基本的な考えは我々がこの素晴らしいキャラクターに衣裳を着せて盾を持たせて走り回らせることであった。彼が現実の人間であった場合、どのようなものだろうか? これは面白い問題提起であった」と述べた。これを実現するため、オパロックはパナビジョン・アナモルフィック・レンズとコーデックス デジタルレコーダーを搭載したアリ・アレクサ・プラス4:3カメラを使用した。
創建年代は明確ではないが、紀伊国造家旧記によると、神武天皇東征の際、紀国造氏の祖である天道根命が神鏡と日矛の二つの神宝を奉じて加太浦に上陸し、頓宮を造営して天照大御神を祀ったことに始まるという（神鏡・日矛は日前神宮・国懸神宮の神体である）。延喜式神名帳の記載はない（式外社）が、「紀伊国神名帳」 に「正一位春日大神」と記されている。役小角（飛鳥時代の半ば伝説的な山岳修業者で修験道の開祖、役行者とも称す）が、友ヶ島を行場とし、当社を勧請して守護神としたという。そのため現在でも毎年四月二十日、当社に聖護院門跡が大勢の山伏僧と共に参拝している（聖護院は本山修験宗の総本山）。当地は紀淡海峡に面して漁業の盛んなところであるため、のちに航海安全と大漁を祈願する住吉大神が合祀されたものと見られ、中世には「住吉神社」とも称されていた。文保元年（1317年）6月29日附「預所某田地寄進状」（向井家文書）にある 「賀太庄住吉社」は当社のこととされる。「紀伊風土記」によると、日野左衛門藤原光福が地頭としてこの地を支配した嘉元年間（1303年—1317年）に、自分の祖先神である春日三神を新たに祀り、総名として「春日社」と称したとあり、嘉吉2年（1442年）の記録に「春日明神神事日記」（向井家文書）がある。紀伊名所図会によると、社地はもと、現在地から東の山の中腹にあったが、天正年間（1573年—1592年）に豊臣秀長の家臣で和歌山城代（当時、秀長は大和郡山に居城、大和、和泉、紀伊三国を領し、紀伊国は和歌山城代が支配）の桑山重晴によって現在地に遷したと記している。なお、棟札（重要文化財の附指定）によって慶長元年（1596年）に大がかりな社殿の造作がなされたことも実証されている。 当社は、明治時代まで神職はおかず、神社経営は宮座形式の当屋制によって運営されていた。第二次大戦後、神社が国家の保護を離れたことにより当社が宗教法人となったときより、現社名の「加太春日神社」が用いられるようになった。昭和56年、環境庁（現環境省）主催の第23回自然公園大会において採火神社に指定され、聖火を献火すると共に、氏子有志による獅子舞が郷土芸能として披露された。