Broccoli et Saltzman avaient initialement prévu de tourner On Her Majesty's Secret Service juste après Goldfinger, avec un scénario déjà écrit par Richard Maibaum, mais le projet fut repoussé à cause d'un différend juridique sur Thunderball puis à cause d'un hiver suisse trop doux offrant une neige insuffisante pour les scènes de ski.
Entre la démission de Sean Connery et la sortie de You Only Live Twice, Harry Saltzman avait envisagé d'adapter The Man with the Golden Gun au Cambodge avec Roger Moore dans le rôle de Bond, mais l'instabilité politique du pays a fait capoter ce projet.
Peter Hunt, monteur et réalisateur de la seconde équipe sur les cinq films précédents, obtient enfin la réalisation grâce à une promesse de longue date de Broccoli et Saltzman, honorée après que Lewis Gilbert eut refusé de réaliser le film ; ce sera son unique long-métrage James Bond en tant que réalisateur.
Les producteurs ont volontairement abandonné les gadgets de science-fiction des films précédents pour se concentrer sur l'intrigue, dans un style plus proche de From Russia with Love, et ont cherché à faire l'adaptation la plus fidèle possible du roman, Peter Hunt arrivant sur le plateau avec un exemplaire annoté du livre.
Plus de 400 acteurs ont été envisagés pour succéder à Sean Connery, dont Terence Stamp et Oliver Reed ; George Lazenby, mannequin sans expérience d'acteur, fut choisi après que Broccoli et Hunt l'aient repéré dans une publicité pour le chocolat Fry's.
Lazenby a été retenu en partie après avoir accidentellement frappé au visage un catcheur professionnel jouant les coordinateurs de cascades, ce qui a impressionné Broccoli par sa capacité à montrer de l'agressivité ; il obtint un contrat pour sept films mais quitta la saga après ce seul opus, convaincu par son agent que l'espion serait dépassé dans les années 1970.
Brigitte Bardot avait été pressentie pour le rôle de Tracy mais le contrat tomba à l'eau après qu'elle eut signé pour Shalako aux côtés de Sean Connery ; Diana Rigg, déjà célèbre grâce à The Avengers, fut choisie à la place.
Le rôle de Blofeld avait été écrit à l'origine en pensant à Max von Sydow, qui interprétera finalement ce personnage bien plus tard dans le film non-Eon Never Say Never Again ; c'est finalement Telly Savalas qui fut choisi sur suggestion de Broccoli.
L'acteur italien Gabriele Ferzetti, choisi pour incarner Draco après l'avoir vu dans We Still Kill the Old Way, a été entièrement redoublé par David de Keyser à cause de son fort accent italien.
Le tournage a débuté le 21 octobre 1968 au restaurant panoramique Piz Gloria, au sommet du Schilthorn, dont la construction n'était pas encore achevée ; les producteurs ont financé l'électricité et le téléphérique pour pouvoir y filmer.
Le manque de neige en Suisse a retardé le tournage de 56 jours par rapport au planning initial, et les producteurs ont même envisagé de changer de lieu avant de renoncer car un autre site était déjà utilisé par le tournage de Downhill Racer.
Le caméraman Johnny Jordan a mis au point un système où il était suspendu sous un hélicoptère par un harnais de parachute de 5,5 mètres de long pour filmer les scènes de poursuite à ski sous tous les angles.
La scène où Blofeld se retrouve coincé contre une branche d'arbre lors de la poursuite en bobsleigh a finalement été jouée par Telly Savalas lui-même en studio, après que la tentative du cascadeur sur place eut échoué.
Pour la scène de course de stock-cars, une patinoire artificielle a été construite sur une ancienne piste d'aviation, arrosée en permanence d'eau et de neige, et Lazenby et Rigg ont effectué eux-mêmes la majorité de la conduite en raison du grand nombre de gros plans.
George Lazenby a raconté avoir souffert du manque de coaching sur le tournage, le réalisateur Peter Hunt ne s'adressant jamais directement à lui mais seulement par l'intermédiaire de son assistant, une méthode que Hunt aurait employée volontairement pour isoler l'acteur et renforcer sa prestation.
Pour obtenir la performance de Lazenby lors de la scène de la mort de Tracy, Peter Hunt l'a fait répéter dès 8 heures du matin jusqu'à l'épuisement complet, avant de tourner la scène à 17 heures.
Deux scènes ont été coupées du montage final : Irma Bunt espionnant Bond alors qu'il achète une bague de mariage pour Tracy, et une poursuite sur les toits de Londres se terminant dans le réseau ferroviaire souterrain de la Royal Mail.
John Barry a choisi de composer un thème titre entièrement instrumental plutôt qu'une chanson, jugeant impossible de mettre en musique le titre 'On Her Majesty's Secret Service' sans tomber dans un style operetta à la Gilbert et Sullivan.
Louis Armstrong, très malade au moment de l'enregistrement, a interprété la chanson d'amour 'We Have All the Time in the World' en une seule prise ; le morceau a été réutilisé en 2021 comme générique de fin du film No Time to Die.
Pour rappeler aux spectateurs qu'il s'agit toujours du même Bond malgré le changement d'acteur, le film contient plusieurs clins d'œil aux épisodes précédents : Bond brise le quatrième mur en disant 'Ça n'est jamais arrivé à l'autre type', le générique montre des images des films antérieurs, et Bond retrouve dans son bureau des objets de Dr. No, From Russia with Love et Thunderball.
Le film fut le plus long de la saga James Bond jusqu'à la sortie de Casino Royale en 2006, et il resta l'un des films les plus rentables de l'année malgré des recettes deux fois inférieures à celles de You Only Live Twice.
Accueilli de manière mitigée à sa sortie, avec de nombreuses critiques se moquant de Lazenby en le surnommant 'The Big Fry' en référence à sa publicité pour le chocolat, le film a vu sa réputation s'améliorer considérablement au fil du temps, étant aujourd'hui souvent cité comme l'un des meilleurs de la saga, notamment par des cinéastes comme Steven Soderbergh et Christopher Nolan.
