Steve McQueen était le premier choix pour le rôle du protagoniste Roy Neary, mais il a refusé parce qu'il ne pouvait pas pleurer pendant ses scènes de jeu. James Caan, Dustin Hoffman, Al Pacino, Gene Hackman ont également refusé le rôle, Robert De Niro a également été envisagé, mais finalement Jack Nicholson a décliné en raison de problèmes d'agenda.

Richard Dreyfuss a déclaré que lors du tournage de JAWS, il avait continué à dire à Spielberg qu'Al Pacino n'avait pas le sens de l'humour et que Jack Nicholson était trop fou, et qu'il s'était lui-même présenté pour obtenir le rôle de Roy.

Le vrai chercheur en ovnis Jacques Vallée a servi de modèle pour le rôle du scientifique français Claude Lacombe. Gérard Depardieu, Philippe Noiret, Jean-Louis Trintignant et Lino Ventura figuraient parmi les candidats, mais c'est finalement le cinéaste François Truffaut qui a joué le rôle. C'était le seul film que Truffaut n'a pas réalisé dans lequel il a joué, et c'était également son unique rôle dans une production en anglais.

Terry Garr était convoitée pour le rôle de Jillian Guiler, mais a finalement été castée dans le rôle de Ronnie, l'épouse de Roy, et Melinda Dillon a joué Jillian à sa place. Dillon a été choisie seulement trois jours avant le début du tournage, sur la recommandation du réalisateur Hal Ashby avec qui elle avait collaboré dans Shampoo (1976).

Le tournage s'est déroulé dans un immense ancien hangar de zeppelin de la Première Guerre mondiale situé à Mobile, en Alabama. Sa taille était six fois plus grande que le plus grand plateau de tournage du monde à l'époque. Des foudres se sont produites en raison de la saison des ouragans dans l'Atlantique Nord en 1976, endommageant une grande partie du décor.

Columbia Pictures avait des problèmes de financement, et le budget initial estimé à 2,7 millions de dollars s'est finalement enflé à 19,4 millions de dollars. Spielberg lui-même avait confié au producteur Julia Phillips qu'il savait depuis le départ que le budget serait beaucoup plus élevé.

Le design du vaisseau-mère a été réalisé par Ralph McQuarrie, et Greg Jein a fabriqué la maquette. L'apparence du vaisseau-mère s'est inspirée d'une raffinerie de pétrole nocturne que Spielberg avait vue en Inde.

Dennis Muren, qui venait de terminer les effets spéciaux de Star Wars, a espièglément attaché une petite maquette R2-D2 et des TIE Fighters de la taille d'un petit pois à l'arrière de la maquette du vaisseau-mère. La maquette contenait également d'autres éléments tels qu'une boîte aux lettres, un requin, un bus Volkswagen et un petit cimetière.

Les petits extraterrestres qui apparaissent vers la fin du film ont été interprétés par 50 petites filles de 6 ans de Mobile. Spielberg a choisi des filles plutôt que des garçons parce qu'il pensait qu'elles se déplaçaient avec plus de grâce.

Le compositeur John Williams a composé plus de 300 versions du motif iconique à cinq notes utilisé pour communiquer avec les extraterrestres, et Spielberg a finalement choisi celle à adopter parmi elles. La raison d'utiliser cinq notes était un choix mathématique : c'était le point médian entre une phrase à quatre notes et une mélodie à sept notes.

La scène où Roy et Jillian se dirigent vers Devil's Tower dans le film est souvent interprétée comme une allégorie judéo-chrétienne, rappelant l'Exode de la Bible, Moïse et l'Ascension d'Élie. Devil's Tower représente le mont Sinaï, les extraterrestres représentent Dieu, et Roy est comparé à Moïse par les critiques.

La « Special Edition » sortie en salles en 1980 a été réalisée aux conditions que Columbia Pictures impose à Spielberg de montrer l'intérieur du vaisseau-mère en échange du droit de direction, mais Spielberg lui-même a par la suite regretté ces modifications et a publié un « Director's Cut » en 1998, supprimant les scènes de l'intérieur du vaisseau-mère.