Mike Deerfield est signalé comme déserteur après sa disparition lors de sa première permission au retour d'Irak. Son père, Hank, ancien membre de la police militaire, se lance à sa recherche avec l'aide d'Emily Sanders, officier de police de la juridiction du Nouveau-Mexique où Mike a été aperçu pour la dernière fois. Face au silence et à l'hostilité croissante des autorités militaires, Hank et Emily renforcent leur enquête et commencent à douter des dires officiels qui leur sont servis. Les indices troublants se font de plus en plus nombreux et la vérité sur le séjour en Irak de Mike Deerfield finit par éclater, surprenante et dérangeante.
En filigrane, ce film est un réquisitoire contre la guerre. Il montre ses dérives et les graves perturbations psychologiques qu'elle peut occasionner chez les soldats, mais aussi combien les pays qui envoient leur jeunesse se battre jusqu'à les en rendre fous sont coupables.
Dans la vallée d'Elah est le second long-métrage réalisé par Paul Haggis après Collision.
Le sujet du film est inspiré d'un article, Death and Dishonor, écrit par Mark Boal pour le magazine Playboy[7], sur le meurtre du vétéran Richard T. Davis à son retour d'Irak.
Selon Paul Haggis, c'est grâce à Clint Eastwood, avec qui il a travaillé sur Million Dollar Baby (2004) qu'il a pu tourner le film[7],[8]. En effet, Haggis déclare : « Clint s'est fait mon champion. En 2003, nul ne souhaitait évoquer ce genre d'histoire. Il aurait donc été extrêmement difficile de tourner le film sans son appui »[7]. De plus, il envisageait même de confier le rôle d'Hank Deerfield à Eastwood, mais l'acteur-réalisateur a décliné l'offre [7] en dépit de la qualité du script. Néanmoins, Eastwood recommande Tommy Lee Jones à Haggis pour le rôle[8].
Lors de sa première diffusion en clair à la télévision (sur France 2) le , le film s'est classé deuxième des meilleures audiences avec 5 017 000 téléspectateurs (19,6 % de parts d'audience)[9],[10]
Ce film est le dernier où Claude Giraud doubla Tommy Lee Jones.