Le film s'inspire du livre de 1999 The Coming Global Superstorm d'Art Bell et Whitley Strieber, et Strieber lui-même a écrit la novélisation du film.

Roland Emmerich a écrit une première version du scénario et l'a montré au producteur Mark Gordon, qui avait précédemment produit le film d'Emmerich The Patriot ; Jeffrey Nachmanoff est ensuite intervenu pour l'aider à faire des révisions.

Le 1er mai 2002, CAA a organisé une vente aux enchères envoyant le script à tous les grands studios avec un contrat de terme indiquant un budget de 125 millions de dollars, dont 10 millions pour Emmerich en échange de 10 % du box-office brut ; Twentieth Century Fox a conclu l'accord seulement deux jours plus tard.

Le tournage s'est déroulé principalement à Montréal et Toronto, avec des prises de vue supplémentaires à New York et Chiyoda, Tokyo, du 7 novembre 2002 au 18 octobre 2003.

Pour la destruction de New York, les artistes des effets ont utilisé un modèle 3D scannérisé par LIDAR de la taille de 13 pâtés de maisons, construit à partir de plus de 50 000 photographies scannérisées, abandonnant un décor en miniature initialement envisagé.

Le survol d'ouverture de l'Antarctique du film était un plan entièrement en CGI durant environ deux minutes et demie, créé par la scannérisation numérique de modèles réduits d'icebergs sculptés dans du polystyrène, et était à l'époque le plus long plan tout-CGI continu dans l'histoire du cinéma, surpassant le dégagement de zoom spatial de Contact (1997).

La séquence du raz-de-marée était si complexe que trois sociétés d'effets spéciaux différentes y ont travaillé, l'eau numérique ayant été créée par Digital Domain ou la plus petite maison d'effets Tweak Films selon les plans, tandis que des maquettes ont été utilisées pour une scène sous-marine montrant un bus écrasé par la proue d'un pétrolier russe à la dérive.

Le doublage japonais du film présente une chanson thème exclusive intitulée 'More Than a Million Miles', interprétée par un groupe portant par coïncidence aussi le nom Day After Tomorrow.

Emmerich n'a pas nié que le portrait d'un président américain faible et la ressemblance physique du personnage de l'acteur Kenneth Welsh avec le Vice-Président Dick Cheney étaient destinés à critiquer la politique climatique de l'administration George W. Bush.

Pendant vingt ans, le film a détenu le record du plus grand week-end d'ouverture pour un film de catastrophe naturelle, jusqu'à ce qu'il soit surpassé par Twisters en 2024.