Simon Pegg ha prestato la voce a Reepicheep sostituendo Eddie Izzard: il regista Michael Apted riteneva che la voce di Pegg fosse più matura e seria rispetto a quella di Izzard.

Bill Nighy era stato inizialmente annunciato come sostituto di Eddie Izzard per la voce di Reepicheep, ma lo studio ritenne la sua voce troppo anziana per il ruolo e scelse un'altra direzione.

Il nome del personaggio Lilliandil, la figlia di Ramandu, non compare nel romanzo originale: è stato coniato dal produttore Douglas Gresham.

Il film fu al centro di una disputa di budget tra Walden Media e Walt Disney Pictures dopo i deludenti incassi di Prince Caspian, che portò Disney ad abbandonare la produzione; fu sostituita dalla 20th Century Fox tramite l'etichetta Fox 2000 Pictures.

Gli sceneggiatori presero in considerazione l'idea di unire la trama de Il viaggio del veliero con quella de La sedia d'argento, sul modello dello sceneggiato televisivo BBC che aveva combinato Dawn Treader e Prince Caspian; alcuni elementi de La sedia d'argento furono infine incorporati nel film, inizialmente con il disappunto della tenuta di C. S. Lewis.

Le riprese iniziarono il 27 luglio 2009 nel Queensland, in Australia, dopo che i piani originali prevedevano Malta, Praga e Islanda, e poi il Messico, abbandonato per motivi di sicurezza.

Per evitare di girare in acqua, seguendo il consiglio dei registi Gore Verbinski e Peter Weir, la produzione costruì una gigantesca replica della nave Dawn Treader da 145 tonnellate su un giunto cardanico che poteva ruotare di 360 gradi per mantenere costante l'angolazione del sole.

Furono realizzati 1.400 effetti speciali per il film, un numero intermedio tra gli 800 di The Lion, the Witch and the Wardrobe e i 1.500 di Prince Caspian.

Per la sequenza di apertura al King's College di Cambridge e per l'effetto stellare di Lilliandil sull'isola di Ramandu lavorò la società The Senate, mentre Framestore rivide l'aspetto di Aslan rendendolo più simile a un leone realistico con una criniera più scura.

I titoli di coda finali furono realizzati da Fugitive Studios utilizzando i disegni originali di Pauline Baynes per i libri di Narnia, come omaggio all'illustratrice scomparsa nell'agosto 2008.

È l'unico film della serie a essere stato distribuito in 3D, grazie a una conversione in post-produzione affidata a Prime Focus Group dopo il successo di Avatar in sala.

La canzone originale "There's a Place for Us", scritta da Carrie Underwood, David Hodges e Hillary Lindsey e interpretata dalla stessa Underwood, fu candidata al Golden Globe per la migliore canzone originale.

Per promuovere il film, la storica caravella Matthew fu trasformata in una replica del Dawn Treader e navigò dall'Oceano Atlantico alla Manica nell'agosto 2010, venendo poi resa visitabile al National Maritime Museum in Cornovaglia.