Uno spin-off diretto al mercato home video incentrato sui pinguini era in lavorazione fin dal 2005, subito dopo l'uscita del primo Madagascar, con un'uscita inizialmente prevista per il 2009.

Nel marzo 2011 DreamWorks Animation annunciò che i pinguini avrebbero avuto un proprio film per il cinema, diretto da Simon J. Smith (co-regista di Bee Movie) e scritto dagli autori di Megamind, prima che il progetto passasse a una nuova squadra di sceneggiatori nel settembre 2012.

Il film è stato l'ultimo prodotto interamente da Pacific Data Images (PDI/DreamWorks) prima della chiusura dello studio, avvenuta il 22 gennaio 2015.

Conrad Vernon ha doppiato Rico in questo film, sostituendo John DiMaggio che gli aveva dato voce in precedenza.

John Malkovich ha rivelato al Comic-Con del luglio 2014 che gli era stato offerto il ruolo del Dottor Octavius Brine tre anni e mezzo prima dell'uscita del film, e ha trovato l'idea di usare la sua voce per un polpo semplicemente divertente.

Benedict Cumberbatch, che doppia l'agente Classified, si è sottoposto a lezioni di dizione per perfezionare un accento americano per il ruolo.

Nella versione italiana viene sottolineato che Benedict Cumberbatch, doppiatore del lupo agente Classified, non riesce a pronunciare correttamente la parola inglese 'penguin', un dettaglio già emerso in alcuni documentari precedenti.

La colonna sonora è stata composta da Lorne Balfe, che firma qui la sua prima partitura da solista per un film DreamWorks Animation, dopo aver scritto musiche aggiuntive per i due precedenti Madagascar e aver aiutato Hans Zimmer con la colonna sonora di Megamind.

La produzione ha adottato una pipeline di animazione diversa da quella della trilogia di Madagascar, puntando a un tono più stilizzato e dinamico per adattarsi alla narrazione parodistica da film di spionaggio.

Nonostante un incasso mondiale di 373,6 milioni di dollari a fronte di un budget di 132 milioni, il film fu considerato un flop dagli standard DreamWorks, contribuendo insieme a Mr. Peabody & Sherman a una svalutazione di 57,1 milioni di dollari per lo studio.

L'uscita del film fu anticipata dal 27 marzo 2015 al 26 novembre 2014, scambiando la data con il film Home, nella speranza che il franchise dei pinguini si distinguesse meglio nel periodo del Ringraziamento.