Le film devait initialement adapter Au service secret de Sa Majesté, mais les producteurs ont préféré tourner On ne vit que deux fois car le roman suivant nécessitait de longues recherches de décors enneigés en haute altitude.

Le repaire côtier du SPECTRE prévu dans un château en bord de mer a été transformé en base souterraine dans un volcan éteint après que l'équipe a appris que les Japonais ne construisaient pas de châteaux au bord de la mer.

Le réalisateur Lewis Gilbert, les producteurs et le chef décorateur Ken Adam devaient rentrer au Royaume-Uni le 5 mars 1966 par le vol BOAC 911, mais ont annulé pour assister à une démonstration de ninjas ; cet avion s'est écrasé 25 minutes après le décollage, tuant tous les passagers.

Sean Connery, lassé du rôle de James Bond, a été convaincu de revenir grâce à une augmentation de son cachet, tandis que les producteurs cherchaient déjà un éventuel remplaçant.

L'acteur tchèque Jan Werich avait été engagé pour jouer Blofeld, mais jugé trop peu menaçant et ressemblant à un 'gentil Père Noël', il a été remplacé après plusieurs jours de tournage par Donald Pleasence, qui a testé une bosse, une jambe boiteuse, une barbe et une main paralysée avant d'opter pour la fameuse cicatrice.

Toshiro Mifune avait été approché pour incarner Tiger Tanaka mais était déjà engagé sur Grand Prix ; le rôle est finalement allé à Tetsurō Tamba, choisi par Gilbert après avoir travaillé avec lui sur The 7th Dawn.

Mie Hama, initialement engagée pour jouer Aki, avait tant de mal avec l'anglais que les producteurs voulaient la renvoyer ; Tamba a suggéré qu'elle pourrait se suicider si cela arrivait, ce qui a conduit à échanger son rôle avec celui d'Akiko Wakabayashi pour qu'elle joue Kissy Suzuki, un rôle avec moins de dialogues.

Lors du tournage des scènes aériennes de l'autogire 'Little Nellie', le cameraman John Jordan a eu le pied sectionné par le rotor de l'engin à cause d'un puissant souffle descendant ; le pied a d'abord été recousu au Japon puis finalement amputé à Londres.

Le gouvernement japonais ayant interdit les explosions dans le parc national où se trouvait le volcan Shinmoe-dake, l'équipe a dû se déplacer à Torremolinos en Espagne, dont le paysage ressemblait à celui du Japon, pour tourner les scènes finales.

Le décor du volcan abritant la base du SPECTRE, construit à Pinewood Studios pour un coût d'un million de dollars, mesurait 45 mètres de haut et était visible à 5 kilomètres à la ronde, attirant de nombreux curieux.

Frank Sinatra ayant décliné la proposition de chanter le générique, c'est sa fille Nancy Sinatra qui a interprété la chanson-titre, se disant très nerveuse en studio et craignant de 'sonner comme Minnie Mouse' ; la version finale a nécessité 25 prises.

Une première version du générique avait été enregistrée par la chanteuse Julie Rogers avant d'être écartée ; seules deux lignes de ce texte ont été conservées dans la version finale chantée par Nancy Sinatra.

You Only Live Twice fut le premier film de James Bond à connaître un recul des recettes au box-office, en partie à cause de la saturation du genre par de nombreux films d'espionnage imitant la formule, dont le Casino Royale concurrent sorti la même année.