L'idée de réaliser le film est née quand la fille de dix ans du réalisateur Mel Stuart a lu le livre et a demandé à son père de l'adapter au cinéma. Le producteur David L. Wolper, profitant du fait que la compagnie Quaker Oats voulait promouvoir une nouvelle barre chocolatée (la Wonka Bar), a convaincu la société d'acheter les droits et de financer le film.
Roald Dahl avait accepté d'écrire le scénario, mais au moment du tournage, il n'avait pas livré un scénario complet, seulement un brouillon renvoyant aux chapitres du livre. Après son départ du projet en raison de désaccords créatifs, David Seltzer a réécrit secrètement le scénario sans crédit.
Roald Dahl était très en colère contre les changements apportés à l'histoire (la mise en avant du personnage de Wonka, la transformation de Slugworth en espion, le choix de Gene Wilder pour le rôle de Wonka) et a refusé de revendiquer le film ; il a également critiqué la musique en la qualifiant de 'sucrée, artificielle et excessivement sentimentale'.
Le titre du film a été changé de 'Charlie and the Chocolate Factory' à 'Willy Wonka & the Chocolate Factory' ; Wolper a justifié ce changement en disant qu'il voulait créer un lien plus étroit avec le placement de produit (la Wonka Bar), tandis que Stuart a indiqué que ce changement a été influencé par des acteurs afro-américains pointant les connotations racistes du terme 'Charlie' à l'époque.
Six membres de Monty Python (Graham Chapman, John Cleese, Eric Idle, Terry Gilliam, Terry Jones et Michael Palin) ont montré de l'intérêt pour le rôle de Willy Wonka, Spike Milligan était le premier choix de Roald Dahl et Peter Sellers a supplié pour avoir le rôle ; Joel Grey et Fred Astaire, âgé de 72 ans, avaient également été envisagés.
Gene Wilder a posé une condition en acceptant le rôle : il voulait que Wonka boite en s'appuyant sur une canne lors de son entrée initiale aux portes de la fabrique, que la canne se coince dans une fissure et qu'il fasse une pirouette avant de se relever ; il a expliqué que cela permettrait au public de ne jamais savoir s'il dit la vérité ou non.
Sammy Davis Jr. et Anthony Newley voulaient jouer le rôle du propriétaire du magasin de bonbons, Bill, mais le réalisateur Mel Stuart a rejeté cette demande en pensant qu'une grande star dérangerait le réalisme de cette scène ; néanmoins, Davis Jr. a ensuite fait un grand succès de la chanson 'The Candy Man' du film.
Le tournage s'est déroulé entre le 31 août et le 19 novembre 1970 à Munich, en Allemagne ; le directeur de la production Harper Goff a décidé de construire les décors de la fabrique aux Bavaria Studios après avoir visité une brasserie Guinness en Irlande et une vraie chocolaterie en Espagne, car c'était beaucoup moins cher que de tourner aux États-Unis.
Un tiers des matériaux du décor de la Chocolate Room étaient comestibles : la pastèque en chocolat de Veruca Salt, les balles de gomme à mâcher de Mike Teevee, le massepain et les champignons à la crème fouettée étaient réellement comestibles, tandis que les grands ours en gélatine étaient en plastique (seules les oreilles étaient comestibles) et le papier peint apparemment sucré n'était en fait pas sucré du tout.
La rivière de chocolat était faite d'eau et de colorant alimentaire ; pour résoudre un problème d'odeur, de la poudre de cacao a été ajoutée, mais cela n'a pas fonctionné, l'acteur Michael Böllner se souvenant que la rivière était une 'eau sale et malodorante'.
Le réalisateur Mel Stuart a interdit aux jeunes acteurs de voir le décor de la Chocolate Room jusqu'au jour du tournage, afin que leurs réactions soient authentiques ; Julie Dawn Cole était l'exception, ayant vu le décor en avant-première.
La scène où Julie Dawn Cole chante 'I Want It Now' en tant que Veruca Salt a nécessité 36 prises et a été tournée le jour du 13e anniversaire de l'actrice ; de plus, le chorégraphe Bob Fosse venait se plaindre chaque après-midi que les tournages s'éternisaient parce qu'il voulait utiliser le studio pour filmer Cabaret (1972).
Dans la scène d'usine où des milliers de Wonka Bars sont ouvertes pour chercher des billets dorés, les chocolats utilisés n'étaient pas vrais mais faits de bois ; c'était beaucoup moins cher que de réemballer des milliers de vrais chocolats.
À sa sortie, le film n'a pas connu un grand succès commercial, rapportant seulement 4 millions de dollars au box-office mondial par rapport à un budget de 3 millions de dollars ; cependant, grâce aux diffusions télévisées et aux ventes de vidéos domestiques, il a progressivement acquis un statut culte et a été ajouté au Registre national des films américains en 2014.
La chanson 'The Candy Man' interprétée par Sammy Davis Jr. est devenue le seul hit numéro un de la carrière de l'artiste et est restée première du palmarès Billboard Hot 100 pendant trois semaines.
