En las primeras etapas de producción se consideró a Michelle Rodríguez para el papel protagonista de Æon, ya que había trabajado antes con la directora Karyn Kusama en la película Girlfight.

Karyn Kusama propuso originalmente rodar en Brasilia, Brasil, porque la arquitectura moderna del siglo XX de la ciudad encajaba con su visión de Bregna, pero la idea fue rechazada por falta de infraestructura y medios técnicos para una producción cinematográfica de esta envergadura.

Tras explorar varias ciudades, se eligieron Berlín y Potsdam, en Alemania, para el rodaje; el equipo obtuvo permiso para filmar en lugares que nunca antes habían permitido el acceso a producciones, como el crematorio de Treptow, la torre Trudelturm y el túnel de viento de Adlershof, y la Haus der Kulturen der Welt.

El rodaje se suspendió durante un mes en septiembre de 2004 después de que Charlize Theron sufriera una lesión en el cuello durante una escena de acrobacias en el décimo día de rodaje, lo que la obligó a permanecer hospitalizada cinco días en Berlín y a seguir unas seis semanas de fisioterapia para recuperarse.

La directora Karyn Kusama declaró que, una vez terminado el montaje, el estudio le retiró el control de la película y la reeditó fuertemente, cambiando tramas y personajes porque consideraban que su versión era demasiado una película de arte.

Los guionistas Phil Hay y Matt Manfredi revelaron que el estudio recortó la película antes de su estreno y que el montaje original del director contenía cerca de 30 minutos de metraje adicional, algo que el propio Peter Chung reconoció en sus críticas.

Peter Chung, creador de la serie animada original, se mostró impresionado con los decorados durante su visita al rodaje, pero finalmente calificó la película de 'una farsa', lamentando que el personaje de Æon tal como él la concibió no llegara a aparecer realmente en la cinta.

Peter Chung tiene un pequeño papel como actor en la adaptación cinematográfica de su propia serie.

Paramount decidió no proyectar Æon Flux para la crítica antes de su estreno, una práctica habitual cuando un estudio anticipa malas reseñas.