На все основные роли Уэллс пригласил актёров театра «Меркюри». Это тоже было важно, так как он знал возможности каждого. Многие из них дебютировали в кино: Джозеф Коттен (Джед Лиленд). Дороти Комингор (Сьюзен Александер). Рут Уоррик (Эмили, первая жена Кейна), Рей Коллинз (Джим Геттис, политический противник Кейна), Агнес Мурхед (мать Кейна), Уильям Алланд (репортёр Томпсон)…

Съёмки начались 30 июля 1940 года и продолжались четыре месяца; затем Уэллс монтировал и озвучивал фильм. В январе «Гражданин Кейн» был закончен.

«Мне очень повезло, что оператором был Грегг Толанд — лучший из когда-либо работавших со мной кинооператоров, что попались актёры, никогда до той поры не работавшие в кино, — рассказывал Уэллс. — Все они были из моего театра. Я никогда не мог бы сделать „Гражданина Кейна“ со старыми киноактёрами, потому что они бы немедленно сказали: „А что мы, собственно, делаем?“ Их раздражало бы, что я новичок, и это испортило бы фильм. А фильм оказался возможным только потому, что я оставался, как говорится, в кругу семьи».

Уэллс заставил своих технических сотрудников работать по-новому, потребовал от них недостижимых при обычных условиях работы в павильоне эффектов.

Изощрённая стилистика «Кейна» кажется совершенно невероятной для новичка в кинематографе — ведь до этого бесспорного шедевра Уэллс снял только шестиминутную пародию на фильм Жана Кокто «Кровь поэта» — «Сердце века» и короткометражную ленту «Никуда не деться от Джонса», единственная копия которого сгорела при пожаре на вилле Уэллса под Мадридом.

Впервые в фильме «Гражданин Кейн» Грегг Толанд получил возможность применить те приёмы, о которых он давно мечтал, например широкоугольные объективы, позволяющие строить глубинный кадр, объединяющий разные действия в едином потоке.

Все декорации в «Гражданине Кейне» построили с потолками (ранее это не практиковалось), причём расположенными ниже, чем обычно. Толанд использовал потолок как фон для нижних точек аппарата.

Поразительный монтажный приём, найденный Толандом и Уэллсом, позволяет в коротком эпизоде рассказать о долгих годах супружеской жизни Кейна и Эмили. Несколько небольших кусков, следующих один за другим, показывают их во время завтраков: проходит время, меняются костюмы супругов и убранство стола, но завтраки остаются парадной церемонией и временем, когда жена может выразить своё неудовольствие поступками мужа. Её упрёки всё резче, его ответы всё грубее и грубее. И, наконец, в последнем куске, оба молчат, каждый читая свою утреннюю газету…

Новые приёмы монтажа, освещения, композиции кадра привели к тому, что до сих пор изобразительная форма фильма сохраняет новаторское значение.

«С первого момента работы над сценарием всё продумывалось нами под углом зрения того, что увидит зритель на экране, как будет решена сцена изобразительно, — вспоминал Грегг Толанд. — Мы стремились избегать коротких монтажных кусков и вместо этого вводили движение или панораму. В других случаях действие разворачивалось в длинных, непрерывных планах, причём мизансцены строились в предельной ширине угла зрения объектива и по всей глубине кадра, от самого переднего плана до бесконечности».

Такие мизансцены ставили чрезвычайно сложные задачи перед оператором, но решение их было основным содержанием операторской работы в «Гражданине Кейне».

Уэллс утверждал, что всеми нововведениями «Гражданина Кейна» он обязан исключительно собственному невежеству. Когда собирались снимать первый кадр фильма, Орсон сказал: «Давайте сделаем так!» Грегг Толанд ответил, что это невозможно. Режиссёр настаивал: «Попробуем, а там увидим. Почему, собственно, невозможно?»

«У меня не было предварительной раскадровки, — вспоминал Уэллс. — Я всё импровизировал прямо на съёмочной площадке. Стены мы сделали передвижными, и таким образом в нужный момент я мог установить камеру, где хотел. Кстати, я собираю на площадке в двадцать пять раз больше предметов, чем нужно, но всегда выбираю их в том стиле, который хочу придать сцене. Фиксируя кадр, я устанавливаю окончательное решение и строю его, используя лишь некоторые из собранных таким образом элементов».

Тема манипуляции обществом — главный мотив фильма. Уэллс чётко показал: всякий рвущийся к власти начинает со своей «Декларации принципов», о которой вскоре забывает, освобождаясь от самых преданных и умных людей и оставаясь в окружении льстецов. Незаурядная личность, добиваясь славы или успеха, получая желаемое, терпит душевный крах.

Когда «Гражданин Кейн» ещё снимался, в прессе замелькали сообщения, что Кейн — не кто иной, как газетный магнат Уильям Рэндолф Херст. Действительно, некоторые моменты жизни Кейна напоминают известные факты из жизни этого короля прессы.

Автор книги «Империя Херста» Ф. Лундберг предъявил Уэллсу обвинение в плагиате, но режиссёр отвергал связь Кейна с реальными прототипами.

«„Гражданин Кейн“ — портрет частной жизни известного человека. Я знаком с некоторыми издателями, но ни одного из них не знаю настолько, чтобы использовать в качестве модели. Постоянно проводились параллели между моим фильмом и карьерой Уильяма Рэндолфа Херста. Это некрасиво и по отношению к Херсту, и по отношению к Кейну».

9 апреля 1941 года в Нью-Йорке и Лос-Анджелесе состоялся показ фильма для прессы. Критик Седрик Белфридж писал: «По-видимому, „Гражданину Кейну“ суждено остаться в истории великим мифом Голливуда. […] Никогда ещё не было более захватывающей премьеры, а я видел их тысячи. Ибо на этом экране приспешники газетных магнатов увидели правду о том, как они деградируют, превращаясь в рабов и проституток. И в то же время они увидели всю ту сложившуюся гигантскую машину Голливуда, которую они должны поддерживать своими телами в „критических статьях“, строго регламентированных рекламой и повергнутых в прах героическим Орсоном Уэллсом и его никому не известным театром „Меркюри“».

Угрозы Херста возымели действие. Компания РКО взяла время на размышление и задержала выпуск картины на экраны.

Тогда Орсон Уэллс выступил с резким заявлением, в котором он настаивал, что РКО должна показать «Гражданина Кейна», иначе он обратится в суд.

«Я не собирался обращаться ни к жизни мистера Херста, ни к жизни какого бы то ни было другого реального человека, — говорил на пресс-конференции режиссёр. — Я никогда не разрешал, чтобы под моим именем публиковались какие-либо противоположные этому утверждения. „Гражданин Кейн“ — история жизни полностью вымышленного лица. Сценарий фильма был проверен и поддержан фирмой РКО и цензурной комиссией Хейса».

Премьера «Гражданина Кейна» для публики состоялась в Нью-Йорке 1 мая 1941 года. Газеты Херста сделали всё, чтобы прокат фильма был ограниченным.

Тем не менее «Гражданин Кейн» выдвигался на девять премий Американской киноакадемии, а получил «Оскар» лишь за лучший оригинальный сценарий (Уэллс и Манкевич).

Французские критики осыпали фильм Уэллса похвалами («почва» была подготовлена статьёй Сартра, уже посмотревшего его в США), но многие из них запутались, пересказывая сюжет; дело дошло до того, что в разных газетах по-разному толковался смысл «бутона розы», некоторые считали, что это название стеклянного шара со снежными хлопьями, который падает из рук умирающего Кейна. Так было до тех пор, пока Андре Базен и Дени Марион не провели специального «расследования» и не убедили американскую прокатную фирму РКО сделать дополнительный субтитр «бутон розы» на том кадре, где мы видим сгорающие санки Кейна-ребёнка.

Эта путаница входила, однако, в намерения Уэллса, ведь снежные хлопья падают на домик маленького героя, и, кроме того, Кейн дважды произносит «бутон розы» в связи со стеклянным шаром: перед смертью, роняя его, и ещё раньше, когда он сжимает шар в руке в эпизоде ухода от него второй жены, Сьюзен Александер.

Словосочетание «Бутон розы» стало символом неомрачённого детского существования, предшествовавшего всем искушениям и испытаниям жизни, отзвук темы потерянного рая, которую сам Уэллс считал центральной темой западной культуры.