Le tournage a duré trois mois et demi, avec des scènes tournées à Hong Kong, Santorin et au Pays de Galles du Nord (Llyn Gwynant, utilisé pour représenter la Chine continentale), ainsi que deux semaines au Kenya (Amboseli et Hell's Gate) ; le reste a été filmé dans des studios au Royaume-Uni.

La scène se déroulant à Shanghai n'a pas été tournée sur place, mais entièrement reconstruite sur un plateau.

Le film a utilisé la nouvelle Jeep Wrangler Rubicon 2003 dans le cadre d'une campagne publicitaire de Jeep : le véhicule a été personnalisé par l'équipe de design Jeep avec les décorateurs du film et trois copies ont été construites pour le tournage, en plus de 1 001 modèles en édition limitée mis en vente lors de la sortie du film.

Malgré l'importance accordée à la Jeep Wrangler Rubicon dans la campagne promotionnelle, le véhicule de Lara a au total moins de deux minutes à l'écran dans le film terminé.

Le réalisateur Jan de Bont a déclaré n'avoir pas eu une expérience positive sur le film, se plaignant des ingérences constantes du studio et du fait que les créateurs du jeu vidéo avaient également leur mot à dire sur l'intrigue et la distribution, sans qu'on le lui ait annoncé à l'avance.

Jan de Bont a décrit Angelina Jolie comme un personnage très intéressant avec qui travailler, la définissant comme une personne au caractère difficile mais non négatif, avec qui il a finalement établi une bonne relation.

Le bruit a circulé, puis a été démenti, qu'Angelina Jolie n'aurait pas repris le rôle de Lara Croft et qu'elle aurait été remplacée par la jeune et alors inconnue Kelly Brook.

Jon Voight, père d'Angelina Jolie et interprète du père de Lara dans le premier film, a déclaré dans certaines interviews avoir été rappelé pour la suite dans le rôle de Richard Croft, mais cette information a ensuite été démentie.

La production du film a commencé dès fin 2001, quelques mois après la sortie du premier opus.

La bande sonore du film a été composée et dirigée par Alan Silvestri et exécutée par le Sinfonia of London.

Paramount a attribué le flop du film à la mauvaise performance du jeu vidéo Tomb Raider: The Angel of Darkness, sorti seulement un mois avant malgré son état incomplet et rempli de bugs, au point que Jeremy Heath-Smith, cadre supérieur d'Eidos Interactive, a démissionné quelques jours après la sortie du jeu.

Angelina Jolie a reçu une nomination au Razzie Award pour pire actrice pour sa performance dans ce film.

Après la déception du film aux box-offices par rapport à son prédécesseur, les plans pour un troisième opus ont été abandonnés quand Angelina Jolie a annoncé qu'elle ne voulait plus incarner Lara Croft.