Fantasia est né de l'explosion des coûts du court métrage Le Sorcier apprenti, conçu à l'origine comme un simple Silly Symphony pour relancer la popularité de Mickey Mouse, alors éclipsé par Donald Duck et Dingo.

Walt Disney a rencontré le chef d'orchestre Leopold Stokowski par hasard au restaurant Chasen's à Hollywood ; celui-ci s'est spontanément proposé pour diriger la musique gratuitement.

Disney avait envisagé de confier le rôle de l'apprenti à Dopey (Simplet) des Sept Nains avant de finalement choisir Mickey Mouse, qui fut entièrement redessiné pour l'occasion, notamment avec des pupilles pour plus d'expressivité.

Le comédien Béla Lugosi, célèbre pour Dracula, a été engagé pour poser comme référence pour le personnage démoniaque Chernabog, mais l'animateur Vladimir Tytla, insatisfait du résultat, a finalement demandé au réalisateur Wilfred Jackson de poser torse nu.

La séquence finale d'Ave Maria, longue de 217 pieds de pellicule (probablement le plus long plan continu de l'histoire de l'animation à l'époque), a nécessité quatre tournages : les deux premiers ratés à cause d'un mauvais objectif et d'un tremblement de terre, la version finale n'ayant été achevée qu'un jour avant la première.

Pour éviter de dessiner à la main des milliers de flocons de neige dans Casse-Noisette, le studio a utilisé une technique de stop-motion : des flocons découpés en cellulos translucides étaient placés sur des tiges rotatives dissimulées sous du velours noir et filmés image par image.

Fantasia a été projeté avec Fantasound, un système sonore stéréophonique pionnier développé avec RCA, faisant du film le premier film commercial diffusé en son stéréo, ancêtre du son surround moderne.

Une idée d'origine prévoyait de diffuser des odeurs dans la salle pendant certaines séquences, comme de l'encens durant Ave Maria, mais ce concept fut abandonné.

Les danseuses professionnelles Marge Champion et Tatiana Riabouchinska, ainsi que l'actrice Hattie Noel (plus de 90 kg), ont servi de modèles filmés en direct pour animer l'hippopotame danseuse Hyacinthe dans Dance of the Hours.

Malgré des critiques élogieuses, Fantasia n'a pas été rentable à sa sortie en raison de la Seconde Guerre mondiale coupant l'accès au marché européen et des coûts énormes de production et d'installation du système Fantasound.