Bryan Singer concibió la idea de que Superman regresara a la Tierra tras cinco años de ausencia durante el rodaje de X2 (2003), y se la presentó a Richard Donner, director de Superman (1978), quien reaccionó de forma muy positiva.

Antes de Superman Returns, Warner Bros. preparaba el proyecto Superman: Flyby con McG como director y guion de J. J. Abrams, pero McG abandonó en junio de 2004, lo que abrió la puerta a la propuesta de Singer.

Las primeras versiones del guion contenían referencias a los atentados del 11 de septiembre, que finalmente fueron eliminadas antes del rodaje.

Jim Caviezel se mostró interesado en interpretar a Superman, pero Singer creía que solo un actor desconocido podía encarnar al personaje, por lo que se optó por Brandon Routh tras un casting con miles de candidatos en varios países.

Dana Reeve, viuda de Christopher Reeve, comentó que el parecido físico de Brandon Routh con su difunto esposo era sorprendente.

Actores como Jon Hamm, Henry Cavill, Glenn Howerton, Sam Heughan y Chris Pratt hicieron pruebas para el papel de Superman antes de que se eligiera a Routh; Cavill interpretaría finalmente al personaje años después en el DCEU.

Kevin Spacey fue el único actor considerado para Lex Luthor, ya que los guionistas escribieron el papel pensando en él debido a su amistad con Singer y a su actuación en The Usual Suspects.

Kate Bosworth fue recomendada para el papel de Lois Lane por el propio Kevin Spacey, con quien había coprotagonizado Beyond the Sea; entre las otras candidatas consideradas estaban Natalie Portman, Evangeline Lilly y Amy Adams, quien más tarde interpretaría a Lois en Man of Steel.

Hugh Laurie fue elegido originalmente para interpretar a Perry White, pero no pudo participar por sus compromisos con la serie House, por lo que el papel recayó en Frank Langella.

Durante el rodaje, la producción utilizó el título falso 'Red Sun' para evitar la atención pública, y el 80% del rodaje se realizó en Fox Studios Australia, ocupando los nueve estudios de sonido disponibles.

Marlon Brando, fallecido en 2004, aparece como Jor-El gracias a metraje inédito rodado originalmente para Superman II por Richard Donner, recuperado para Superman II: The Richard Donner Cut y recreado digitalmente por Rhythm & Hues Studios.

John Ottman compuso la música respetando nota por nota el tema original de John Williams para los créditos iniciales, ya que Singer afirmó que no habría dado luz verde a la película sin poder usar la música de Williams.

Se eliminaron 15 minutos de metraje antes del estreno, incluyendo una secuencia llamada 'Return to Krypton' que costó 10 millones de dólares y que Singer no pudo incluir en el DVD por haber sido convertida a formato IMAX 3D.

Superman Returns fue la primera película de acción real de Hollywood en estrenarse en el formato combinado IMAX 3D, presentándose simultáneamente en 111 salas IMAX de todo el mundo.