Poco después del estreno de la primera película, Oliver Stone se sumó al proyecto de la secuela y escribió un borrador del guion, pero lo abandonó cuando Tom Cruise decidió rodar 'Eyes Wide Shut' de Stanley Kubrick.

El guionista William Goldman fue el primer escritor del proyecto; según él, de su trabajo solo sobrevivió el clímax de la escalada en las rocas, ya que no logró encontrar un buen villano, tarea que finalmente resolvió Robert Towne.

Ving Rhames tuvo que abandonar el rodaje de 'Any Given Sunday' por retrasos de producción para poder retomar su papel de Luther Stickell.

El papel del comandante Swanbeck fue ofrecido primero a Ian McKellen, quien lo rechazó para poder interpretar simultáneamente a Magneto en 'X-Men' y a Gandalf en 'El Señor de los Anillos'; finalmente el rol recayó en Anthony Hopkins, en una aparición sin acreditar.

Dougray Scott rechazó el papel de Wolverine en 'X-Men' de Bryan Singer para interpretar a Sean Ambrose, decisión influida también por retrasos de producción y una lesión sufrida en un accidente de motocicleta durante el rodaje.

Tom Cruise sugirió a Thandiwe Newton para el papel protagonista femenino, tras haber coincidido ella anteriormente en el rodaje de 'Flirting' (1991) con Nicole Kidman, entonces esposa de Cruise.

Tom Cruise lamentaba haber matado al personaje de Jack Harmon en la primera película e intentó incluirlo en la secuela, pero la idea se abandonó porque él y John Woo no encontraron una forma creíble de que hubiera sobrevivido.

Un borrador de guion de Ronald D. Moore y Brannon Braga incluía a Willy Armitage como miembro del equipo, con la intención de recastear el papel con un actor más joven en lugar del actor original Peter Lupus.

La escena inicial de escalada libre de Tom Cruise se rodó en Dead Horse Point State Park, en Moab, Utah; el estudio expresó preocupación por la seguridad, y aunque no había red de protección, Cruise usó un arnés y un cable delgado, y se desgarró el hombro al realizar el salto entre dos partes del acantilado.

En una entrevista de 2020, Thandiwe Newton relató que durante el rodaje de la escena del balcón, Tom Cruise estaba muy estresado por las expectativas sobre la secuela, y que un ejercicio de interpretación invertida de roles la dejó en un estado de terror e inseguridad, por lo que contactó al director Jonathan Demme para contarle lo sucedido.

El rodaje se realizó principalmente en Sídney (Australia), incluyendo Fox Studios Australia y La Perouse, además de localizaciones en Estados Unidos como Azusa, Los Ángeles.

Para la pelea final entre Ethan Hunt y Sean Ambrose, Tom Cruise insistió en usar un cuchillo real sujeto a un cable, calculado para detenerse a un cuarto de pulgada de su ojo, y pidió a Dougray Scott que empujara con toda su fuerza para lograr un resultado realista.

Hans Zimmer compuso la banda sonora original con voces de Lisa Gerrard, y comentó que hubiera preferido que todas las bandas de la música contemporánea del filme fueran femeninas para reforzar el tema de las 'sirenas', pero terminó recibiendo mayormente bandas de heavy metal masculinas.

La película llegó a tener el mayor número de salas de estreno de la historia hasta ese momento (3.653 cines), récord que se mantuvo hasta que lo superó 'Harry Potter y la piedra filosofal' al año siguiente.

Mission: Impossible 2 se convirtió en la película más taquillera de 2000 a nivel mundial, con más de 546 millones de dólares recaudados, y fue en su momento la entrega más taquillera de la saga hasta el estreno de 'Mission: Impossible – Ghost Protocol' en 2011.