Summit Entertainment adquirió los derechos de adaptación de las tres novelas restantes de la saga (Luna Nueva, Eclipse y Amanecer) a principios de noviembre de 2008, y confirmó Luna Nueva un día después del estreno de Crepúsculo.

Catherine Hardwicke, directora de Crepúsculo, no regresó para la secuela por restricciones de tiempo, y fue reemplazada por Chris Weitz, anunciado el 13 de diciembre de 2008.

La guionista Melissa Rosenberg ya estaba adaptando la novela antes del estreno de Crepúsculo y entregó el primer borrador del guion durante el mismo fin de semana del estreno de la primera película, en noviembre de 2008; entre junio y octubre de 2008 alternó la escritura de Luna Nueva con su trabajo en la serie Dexter.

En la adaptación se decidió convertir la voz de Edward, que en la novela solo existía en la mente de Bella, en una aparición visual, y Rosenberg añadió las motocicletas de los moteros como un elemento significativo para la relación entre Bella y Jacob.

Debido a los grandes cambios físicos del personaje Jacob Black en la novela, el director Chris Weitz consideró reemplazar a Taylor Lautner por otro actor; para conservar el papel, Lautner se sometió a un entrenamiento intensivo de pesas y ganó unos 14 kilos (30 libras).

La cantante Taylor Swift, fan de la saga, pidió aparecer en un cameo en la película, pero Chris Weitz rechazó la idea porque consideraba que resultaría demasiado distractor para el público.

El rodaje se trasladó de Portland (usada en la primera película) a Vancouver por motivos de tipo de cambio del dólar y mayor valor de producción, lo que obligó al equipo a reconstruir minuciosamente decorados como la casa de los Cullen y la casa de los Swan para que coincidieran con los de Twilight, incluso midiendo la casa original de Portland y consultando el Blu-ray de la primera película.

Para representar visualmente la relación entre los personajes, el equipo usó distintos estilos de cámara: travelling rígido en línea recta para las escenas con Edward, Steadicam fluida para las escenas con Jacob, y cámara en mano para las escenas con los compañeros de clase de Bella.

El equipo escogió Montepulciano, Italia, tras evaluar más de doce localizaciones posibles para representar Volterra, y el rodaje concluyó allí entre el 25 y el 29 de mayo de 2009.

La escena de enfrentamiento entre Edward y los Volturi se cambió de una gran batalla con vampiros lanzados por todas partes a un combate uno contra uno entre Edward y Felix, tras recibir la aprobación de la propia Stephenie Meyer.

Para crear los lobos gigantes generados por computadora, artistas de Tippett Studio visitaron el Wolf Mountain Sanctuary cerca de Los Ángeles en febrero de 2009 para estudiar el comportamiento de lobos reales y así dar más realismo a las criaturas.

Como los lobos debían tener el tamaño de caballos según la novela, se usaron recortes a escala real de aluminio y cartón como referencia visual para actores y equipo antes de retirarlos para filmar las escenas con las cámaras.

La canción “Meet Me on the Equinox” de Death Cab for Cutie fue escrita específicamente para la película y se estrenó el 13 de septiembre de 2009 durante los MTV Video Music Awards.

La película estableció el récord del mayor estreno de medianoche en la taquilla de Estados Unidos y Canadá con 26.3 millones de dólares, y logró la mayor recaudación en un solo día de estreno con 72.7 millones de dólares, récord que luego superó Harry Potter y las Reliquias de la Muerte - Parte 2.

Con un presupuesto de apenas 50 millones de dólares, se convirtió en la película más económica en debutar con más de 200 millones de dólares en la taquilla mundial.