Картина рассказывает о последнем периоде жизни писателя Льва Толстого. Прожив долгую жизнь, устав от отчужденности и вражды в отношениях с женой Софьей Андреевной, в ночь на 28 октября 1910 года, в пятом часу утра с 39 рублями в кармане Лев Толстой тайно уехал из дому. Простудившись по дороге, он заболел воспалением легких и нашел последний приют на станции Астапово.

Сценарий фильма написан на основе романа «The Last Station» Джея Парини. Роман написан по дневникам самого Толстого, членов его семьи и близких друзей.
Изначально главные роли в картине должны были сыграть Мэрил Стрип и Энтони Хопкинс.
«Последнее воскресение» стало первой совместной работой Джеймса МакЭвоя и Энн-Мэри Дафф, c 2006 года являющихся мужем и женой в реальной жизни.
Станцией Астапово, где великий русский писатель нашёл своё последнее пристанище, в фильме стала небольшая железнодорожная станция городка Претч, земля Саксония-Анхальт. На двухнедельный период съёмок станция была закрыта для регулярного железнодорожного сообщения, а её внешний вид изменён с помощью различных декораций и специально изготовленных вывесок на русском языке.