La idea de hacer la película surgió cuando la hija de 10 años del director Mel Stuart leyó el libro y pidió a su padre que la adaptara al cine. El productor David L. Wolper aprovechó el deseo de la compañía Quaker Oats de promocionar una nueva barra de chocolate (Wonka Bar), convenciéndolos de vender los derechos y financiar la película.

Roald Dahl aceptó escribir el guión pero cuando comenzó el rodaje no entregó un guión completo, solo un bosquejo que señalaba los capítulos del libro. Cuando Dahl abandonó el proyecto debido a desacuerdos creativos, David Seltzer rescribió el guión en secreto y sin acreditar.

Roald Dahl se enfadó mucho por los cambios en la historia (el mayor énfasis en el personaje de Wonka, la transformación de Slugworth en un espía, la selección de Willy Wilder como Wonka) y rechazó apropiarse de la película; también criticó la música por ser 'empalagosa, artificial y excesivamente sentimental'.

El título de la película fue cambiado de 'Charlie and the Chocolate Factory' a 'Willy Wonka & the Chocolate Factory'; Wolper justificó el cambio diciendo que quería una conexión más cercana con la colocación de productos (Wonka Bar), mientras que Stuart señaló que algunos actores afroamericanos habían señalado las connotaciones racistas de la palabra 'Charlie' en esa época.

Seis miembros de Monty Python (Graham Chapman, John Cleese, Eric Idle, Terry Gilliam, Terry Jones y Michael Palin) mostraron interés en el papel de Willy Wonka, la primera opción de Roald Dahl fue Spike Milligan y Peter Sellers suplicó por el papel; también se consideró a Joel Grey y a Fred Astaire, quien tenía 72 años.

Gene Wilder puso una condición al aceptar el papel: quería que Wonka cojeara entrando por la puerta de la fábrica usando un bastón, el bastón se atascara en una grieta y luego él se levantara haciendo una voltereta hacia adelante; explicó que esto permitiría al público nunca estar seguro de si estaba diciendo la verdad o mentía.

Sammy Davis Jr. y Anthony Newley querían interpretar el papel del dueño de la tienda de caramelos, Bill, pero el director Mel Stuart rechazó la solicitud pensando que una estrella tan grande rompería la credibilidad de esa escena; sin embargo, Davis Jr. más tarde hizo que la canción 'The Candy Man' de la película fuera un gran éxito.

El rodaje se llevó a cabo entre el 31 de agosto y el 19 de noviembre de 1970 en Múnich, Alemania; el diseñador de producción Harper Goff decidió construir los escenarios de la fábrica en los Bavaria Studios después de visitar una fábrica de cerveza Guinness en Irlanda y una fábrica de chocolate real en España, porque era mucho más barato que rodar en EE.UU.

Un tercio de los materiales en el escenario de la Sala de Chocolate eran comestibles: la sandía de chocolate de Veruca Salt, las bolas de chicle de Mike Teevee, el mazapán y los hongos de crema batida eran realmente comestibles, mientras que los osos de gelatina gigantes eran de plástico (solo sus orejas eran comestibles) y el papel tapiz que parecía dulce en realidad no estaba endulzado en absoluto.

El río de chocolate estaba hecho de agua y colorante alimentario; se añadió polvo de cacao para resolver el problema del olor pero no funcionó, el actor Michael Böllner recordó que el río era 'agua sucia y apestosa'.

El director Mel Stuart no permitió que los actores infantiles vieran el escenario de la Sala de Chocolate hasta el día de rodaje, para que sus reacciones fueran genuinas; Julie Dawn Cole fue la excepción y tuvo un vistazo previo en el set.

La escena en la que Julie Dawn Cole cantaba 'I Want It Now' como Veruca Salt requirió 36 tomas y fue rodada el decimotercer cumpleaños de la actriz; además, el coreógrafo Bob Fosse se quejaba todas las tardes porque quería usar el estudio para rodar Cabaret (1972) en el mismo lugar, lo que causaba retrasos en el rodaje.

En la escena de la fábrica donde se abrían miles de Wonka Bars buscando boletos dorados, los chocolates utilizados no eran reales sino hechos de madera; esto era mucho más barato que repaquetear miles de chocolates reales.

La película no fue un gran éxito financiero al estrenarse, ganando solo 4 millones de dólares en todo el mundo en comparación con un presupuesto de 3 millones; sin embargo, adquirió un estatus de culto a través de emisiones televisivas y ventas de video casero, y fue incluida en el Registro de Películas Nacionales de EE.UU. en 2014.

La canción 'The Candy Man' interpretada por Sammy Davis Jr. fue el único éxito número uno en la carrera del artista y se mantuvo en el primer lugar de la lista Billboard Hot 100 durante tres semanas.