Le réalisateur Shinji Aramaki a été contacté en août 2008 par le cadre de Toei Animation Shinji Shimizu pour diriger un nouveau pilote de L'Alchimiste Cosmo, sans qu'il soit initialement décidé s'il s'agirait d'animation traditionnelle ou de CGI.

En 2009, le studio Marza Animation Planet a développé sous le nom de code « RITA » un pilote d'environ trois minutes, tandis que le scénario complet du film était rédigé en parallèle.

Le scénariste Harutoshi Fukui a reconstruit l'histoire pour refléter les thèmes de la société moderne, réinterprétant Harlock non comme le leader héroïque classique mais comme un symbole de protestation contre le monde établi.

La capture de mouvement pour le film a commencé en août 2011 après l'ajustement du storyboard, et la production a été divisée en quatre blocs de travail jusqu'à son achèvement fin 2012.

Le film a été la première production japonaise à utiliser le moteur de rendu par lancer de rayons « Arnold », qui n'avait à l'époque même pas de distributeur au Japon et commençait tout juste à être implémenté à Hollywood.

C'a aussi été le premier film japonais à utiliser le système de capture faciale « Faceware » pour animer les expressions des personnages.

L'effet 3D du film a été obtenu principalement par conversion 2D à 3D plutôt que par rendu stéréoscopique natif : sur les 1412 plans totaux, environ 95 % ont été convertis par la société Q-Tec, tandis que 60 plans avec des matériaux difficiles comme le verre ou l'eau ont nécessité une conception stéréoscopique spéciale et un rendu 3D réel.

À la demande du réalisateur Aramaki, le design de l'extraterrestre Miime s'est volontairement éloigné de l'image d'une extraterrestre belle pour en faire une créature à l'aspect étrange et étrangère.

Après avoir vu une bande-annonce en juin 2013, le réalisateur James Cameron a fait l'éloge de la qualité du film.

Le film a été sélectionné comme projection spéciale invitée au 70º Festival International du Cinéma de Venise en septembre 2013, où le réalisateur Aramaki, l'acteur Haruma Miura et le créateur original Leiji Matsumoto ont marché sur le tapis rouge.

Avec un budget d'environ 30 millions de dollars, les recettes au Japon se sont avérées décevantes par rapport aux attentes, bien qu'en janvier 2014 il ait été rapporté que la France et l'Italie avaient surpassé les chiffres d'affluence enregistrés au Japon.

Le film a remporté le Grand Prix aux Lumière Japan Awards 2013 de l'Association Internationale de la 3D et le prix du meilleur film d'animation étrangère aux 3D Creative Arts Awards, en plus d'obtenir le prix de la meilleure œuvre d'animation aux 37º Japan Academy Awards.