Le scénario s'inspire du roman Thunderball d'Ian Fleming, lui-même adapté d'un projet de scénario écrit avec Kevin McClory et Jack Whittingham pour une adaptation cinématographique de James Bond n'ayant jamais abouti.

McClory et Whittingham ont poursuivi Fleming en justice en 1961, l'accusant d'avoir basé son roman sur leur scénario commun ; le procès s'est réglé à l'amiable et McClory a obtenu le crédit de producteur unique du film ainsi que certains droits sur l'intrigue et les personnages.

Bien qu'initialement prévu comme le tout premier film de la saga James Bond, Thunderball n'est devenu que le quatrième opus à cause du différend juridique ; le réalisateur Terence Young estimait que le film était sorti au bon moment, car le budget limité de l'époque de Dr No n'aurait pas permis de bons résultats.

Julie Christie fut le premier choix de Broccoli pour incarner Domino après sa performance dans Billy Liar, mais il fut déçu en la rencontrant ; Raquel Welch et Faye Dunaway furent aussi envisagées avant que Claudine Auger, ancienne Miss France, ne soit choisie, son personnage étant alors réécrit pour devenir française plutôt qu'italienne.

Les dialogues de Claudine Auger ont été entièrement doublés dans la version finale par Nikki van der Zyl, qui avait déjà prêté sa voix à plusieurs James Bond girls précédentes.

Luciana Paluzzi, qui avait elle-même auditionné pour le rôle de Domino, a finalement obtenu celui de Fiona Volpe ; son personnage devait à l'origine être irlandais et s'appeler Fiona Kelly, avant que son nom ne soit changé pour refléter la nationalité italienne de l'actrice.

Après avoir lu le script, Sean Connery s'est inquiété de la scène du bassin à requins et a exigé une paroi en Plexiglas ; celle-ci n'étant pas fixe, un requin a réussi à la franchir, obligeant l'acteur à fuir précipitamment le bassin.

Le cascadeur Bill Cummings a exigé une prime de 250 livres pour doubler le personnage de Quist lors d'une scène où il devait être jeté dans le bassin rempli de requins.

Lors du tournage aux Bahamas, le responsable des effets spéciaux John Stears a utilisé un carburant expérimental pour faire exploser le yacht Disco Volante ; l'explosion a été si puissante qu'elle a brisé des vitres à environ 50 km de là, sur Bay Street à Nassau.

Le jetpack (Bell Rocket Belt) utilisé par Bond dans la scène pré-générique était un véritable engin fonctionnel développé par Bell Aircraft Corporation, également utilisé lors du premier Super Bowl et à l'Exposition universelle de New York 1964-1965.

Le yacht de Largo, le Disco Volante, était un véritable hydrofoil acheté à Porto Rico pour 10 000 dollars, combiné à une coque de catamaran reliée par un boulon à cisaillement pour permettre à la partie arrière de se détacher en pleine mer.

La chanson-titre originale, « Mr Kiss Kiss, Bang Bang », enregistrée par Shirley Bassey, a été abandonnée car jugée trop courte pour le générique ; une version plus longue fut réenregistrée par Dionne Warwick mais ne sortit finalement que dans les années 1990, le titre définitif du générique étant composé par John Barry et Don Black et chanté par Tom Jones.

Selon la légende de production, Tom Jones se serait évanoui dans la cabine d'enregistrement après avoir tenu la note finale de la chanson trop longtemps.

Le film a rapporté 141,2 millions de dollars dans le monde, dépassant les recettes de tous les précédents films de la saga, et reste, une fois ajusté à l'inflation, le film Bond le plus rentable en Amérique du Nord.

Thunderball a remporté l'Oscar des meilleurs effets spéciaux en 1966 pour John Stears, et le décorateur Ken Adam a été nommé au BAFTA de la meilleure direction artistique.