Tom Hanks a acheté les droits d'adaptation du livre en 1999 après l'avoir lu à ses enfants, espérant jouer à la fois le Conducteur et le Père Noël.

L'auteur Chris Van Allsburg avait refusé de vendre les droits cinématographiques du livre, mais a changé d'avis après avoir appris l'implication de Tom Hanks, à condition que le film ne soit pas animé car il craignait que cela ne représente pas fidèlement ses personnages.

Rob Reiner avait d'abord été engagé comme réalisateur avec une sortie prévue en décembre 2001, mais après des reports répétés, Robert Zemeckis l'a remplacé en février 2002 et a réécrit le scénario avec William Broyles Jr., en développant les personnages secondaires et en ajoutant le nouveau personnage du Clochard.

Bien que Van Allsburg souhaite un film non animé, Zemeckis a estimé qu'une version en prise de vue réelle aurait l'air horrible et coûterait environ 1 milliard de dollars au lieu de 160 millions, il a donc conçu un procédé de capture de mouvement filmé sur un plateau noir pour préserver le style artistique du livre.

Le procédé de capture de mouvement était si coûteux, coûtant environ 1 million de dollars par minute de film, que Warner Bros. avait besoin d'un co-financier ; après que Universal ait décliné, l'investisseur Steve Bing et sa Shangri-La Entertainment ont accepté de financer la moitié du budget.

Tom Hanks joue six rôles dans le film, notamment un petit enfant dont la voix a ensuite été doublée par Daryl Sabara ; Zemeckis avait initialement envisagé que Hanks joue chaque personnage mais a abandonné l'idée après que Hanks s'est épuisé à l'essayer.

Contrairement au reste de la distribution en capture de mouvement, les personnages Smokey et Steamer ont été animés traditionnellement avec des structures squelettiques en raison de leur importante différence de taille et de leur design plus caricaturé.

La locomotive du film a été modelée d'après le Pere Marquette 1225 ; Warner Bros. a travaillé avec le Steam Railroading Institute, qui a fourni une ampoule, un système de distribution, une boîte de charbon et des enregistrements de bruits de moteur pour la production.

Le film était la dernière performance de Michael Jeter ; il est décédé en mars 2003 avant de terminer ses dialogues en tant qu'ingénieur et chauffeur, donc André Sogliuzzo a été engagé pour enregistrer les dialogues restants et redoubler la plupart des lignes existantes de Jeter.

La chanson 'Believe', écrite par Alan Silvestri et Glen Ballard, a été nominée pour un Academy Award et interprétée à la 77e cérémonie des Oscars par Josh Groban et Beyoncé, remportant plus tard un Grammy en 2006.

Les bâtiments du Pôle Nord dans le film ont été conçus pour évoquer une époque antérieure du transport ferroviaire américain, s'inspirant du quartier Pullman de Chicago, siège du fabricant de voitures de chemin de fer Pullman.

Avec un budget de 165 à 170 millions de dollars, le film détenait le record du film d'animation le plus cher au moment de sa sortie.