Kathryn Bigelow y Mark Boal habían terminado un guion centrado en la Batalla de Tora Bora y la infructuosa búsqueda de Bin Laden en esa región, y estaban a punto de rodarlo cuando se supo que Bin Laden había sido abatido, por lo que abandonaron ese proyecto y reescribieron la historia desde cero.

El título de trabajo original de la película era 'For God and Country'; el título definitivo 'Zero Dark Thirty' se confirmó al final del teaser tráiler y hace referencia a un término militar para las primeras horas antes del amanecer, aludiendo a la oscuridad y el secreto que envolvió toda la misión.

El personaje de Maya está basado en una analista real de la CIA que dedicó toda su carrera a la caza de Bin Laden, aunque también representa el trabajo de otras mujeres de la agencia; la periodista Jane Mayer señaló en 2014 que el personaje se inspiró en parte en la agente Alfreda Frances Bikowsky.

Los productores construyeron un recinto real en Jordania basado en diagramas y reportajes sobre el complejo de Abbottabad, y el diseñador de producción Jeremy Hindle, que nunca antes había trabajado en un largometraje, se encargó de que los bloques de cemento parecieran desgastados y no nuevos para dar mayor realismo.

Partes de la película se rodaron en la Universidad PEC de Tecnología de Chandigarh, India, donde algunas zonas se transformaron para simular Lahore y Abbottabad en Pakistán; miembros de partidos de derecha locales protestaron por representar localizaciones pakistaníes en suelo indio.

Una escena única se rodó en Gdansk, Polonia, ciudad que se sintió ofendida por ser retratada como el escenario de las operaciones clandestinas y oscuras de la CIA.

El experto en seguridad nacional Peter Bergen, que revisó un primer montaje de la película como asesor no remunerado, consideró que las escenas de tortura resultaban excesivas, por lo que Boal afirmó que fueron atenuadas en el montaje final.

Alexandre Desplat compuso y dirigió la banda sonora, interpretada por la Orquesta Sinfónica de Londres y publicada como álbum el 19 de diciembre de 2012.

Electronic Arts promocionó la película en su videojuego 'Medal of Honor: Warfighter' ofreciendo mapas descargables de localizaciones mostradas en el filme, y donó un dólar a organizaciones de apoyo a veteranos por cada paquete de mapas vendido.

El premio de la Academia a Mejor Edición de Sonido terminó en empate entre 'Zero Dark Thirty' y 'Skyfall', siendo esto solo el sexto empate en la historia de los Óscar y el primero desde 1994.