La idea de la película surgió de una conversación entre Len Wiseman y Kevin Grevioux, este último, cansado de las recetas habituales del cine de horror, habiendo propuesto una historia al estilo de Romeo y Julieta donde el enfrentamiento de los Capuletos y los Montesco se convierte en una guerra entre vampiros y licántropos.

Licenciado en microbiología por la Universidad Howard, Kevin Grevioux imaginó que el vampirismo y la licantropía fueran causados por un virus mutagénico en lugar de la mística tradicional, lo que permitió explicar científicamente las debilidades de ambas especies y prescindir de clichés como el crucifijo o el ajo.

El proyecto se montó muy rápidamente, en solo tres meses, mientras que un desarrollo estándar suele llevar de dos a tres años.

Kevin Grevioux, también actor, interpreta en la película el personaje de Raze.

Kate Beckinsale al principio se negó a leer el guión simplemente porque se trataba de una película de vampiros; al descubrir los dibujos realizados por Len Wiseman que representaban a Selene enfrentándose a licántropos, cambió de opinión y aceptó el papel.

Michael Sheen y Wentworth Miller hicieron ambos una audición para el papel de Michael Corvin, finalmente asignado a Scott Speedman; Miller, sin embargo, obtuvo un pequeño papel, el del Dr. Adam Lockwood, que rodó en solo dos días.

En el momento del rodaje, Michael Sheen, que interpreta a Lucian, estaba en pareja con Kate Beckinsale desde 1995 y la pareja ya había tenido una hija juntos.

El rodaje se llevó a cabo durante dos meses, del 2 de septiembre al 23 de noviembre de 2002, en Budapest, Hungría, una ciudad cuya historia y estilo gótico parecían particularmente adecuados para la atmósfera vampírica de la película.

Kate Beckinsale realizó ella misma la mayoría de sus acrobacias y sufrió condiciones de rodaje duras: inmersión en agua helada, combates bajo lluvia torrencial en pleno invierno, y equilibrio en la cima de un edificio.

Scott Speedman y Bill Nighy tuvieron que someterse a hasta cinco horas de maquillaje prostético al día, y una escena de final de película requirió una hora y media de trabajo de siete personas solo para retirar el maquillaje.

Fue en el rodaje de la película que Kate Beckinsale conoció al realizador Len Wiseman; posteriormente rompió con Michael Sheen después de ocho años de vida en común para comprometerse con Wiseman.

La película fue objeto de una demanda por violación de derechos de autor presentada por White Wolf, Inc. y Nancy A. Collins, que estimaban que el universo de Underworld retomaba más de 80 puntos de similitud con sus juegos de rol Vampiro: La Mascarada y Hombre Lobo: El Apocalipsis así como con la novela Sonja Blue; el asunto se concluyó mediante un acuerdo confidencial.

La banda sonora, producida por Danny Lohner (también acreditado bajo el seudónimo Renholdër), incluye una reorquestación de la canción de David Bowie 'Bring Me the Disco King', con la participación de Maynard James Keenan (Tool, A Perfect Circle) y del guitarrista John Frusciante (Red Hot Chili Peppers).

Aunque el nombre de la ciudad donde transcurre la acción nunca se menciona, se puede ver la dirección húngara (mal escrita) de Michael en el ordenador de Selene, así como el nombre de una calle real de Budapest, 'Eötvös utca', revelando que la película transcurre realmente en esta ciudad.

Para coincidir con el estreno de la película, Sony Pictures encargó al estudio Black Widow Games un mod promocional para Half-Life titulado Underworld: Bloodline, único mod para Half-Life oficialmente relacionado con una película de Hollywood.