Robert Rodriguez a demandé le même budget que pour le premier Spy Kids, mais en échange d'une totale liberté créative, ce qui lui a permis de pousser l'histoire plus loin.

Rodriguez a assuré lui-même de très nombreux postes sur le film : réalisateur, scénariste, producteur, chef opérateur, chef décorateur, chef monteur, superviseur des effets visuels, ingénieur et mixeur son, et co-compositeur de la musique.

Pour économiser de l'argent, Rodriguez a réutilisé des accessoires et des décors entre les prises, créant l'illusion d'une production plus luxueuse grâce au montage ; par exemple, le grand vaisseau utilisé par Banderas et Gugino ne comportait qu'un seul fauteuil de capitaine, l'image de Gugino étant inversée pour l'autre plan sans que sa raie de cheveux soit modifiée, afin que le public puisse remarquer l'astuce.

Le film a été entièrement tourné en vidéo numérique haute définition, une décision inspirée par George Lucas qui utilisait cette technologie sur Star Wars : Attack of the Clones ; Rodriguez avait testé le procédé lors de reshoots du premier Spy Kids et trouvait le rendu, une fois transféré sur pellicule, meilleur que l'argentique traditionnel.

Le film contient plus de deux fois plus d'effets spéciaux que le premier volet ; l'animateur principal Gregor Punchatz a supprimé le flou de mouvement des créatures en images de synthèse pour donner un rendu évoquant le stop-motion de Ray Harryhausen, qui apparaît d'ailleurs en caméo dans le film et reçoit un remerciement spécial au générique.

La scène de l'armée de squelettes a été tournée sur une véritable formation rocheuse, avec les deux jeunes acteurs harnachés par des câbles de sécurité, avant l'ajout numérique des squelettes sur plus de trois douzaines de plans.

La musique orchestrale du film, composée par John Debney et Robert Rodriguez, a été enregistrée dans l'auditorium d'un lycée d'Austin, le Georgetown High School, et rend hommage à la musique de Bernard Herrmann pour les films de Ray Harryhausen comme Le 7e Voyage de Sinbad et Jason et les Argonautes.

Ce film marque le retour au cinéma de Ricardo Montalbán, qui n'avait plus tourné pour le grand écran depuis Y a-t-il un flic pour sauver la reine ? en 1988, bien qu'il soit resté actif à la télévision.

Le réalisateur Richard Linklater et sa fille Lorelei Linklater apparaissent en caméo dans la scène du banquet de l'OSS.

Le nom complet de Juni, Juni Rocket Racer Rebel Cortez, reprend les prénoms des fils du réalisateur Robert Rodriguez.

L'un des objets en or aperçus par Carmen dans la salle du trésor rappelle l'idole du film Les Aventuriers de l'arche perdue.

La réplique de Gary à Juni, « Thanks for the update, carrot top! », est un clin d'œil à l'acteur roux Scott Thompson, surnommé Carrot Top.