Il produttore Simon Kinberg iniziò a sviluppare il progetto dopo che la 20th Century Fox aveva opzionato il romanzo di Andy Weir nel marzo 2013.

Lo sceneggiatore Drew Goddard era inizialmente destinato a dirigere il film, ma abbandonò il progetto per dedicarsi a Sinister Six; solo dopo che Ridley Scott lo sostituì alla regia e Matt Damon fu scritturato come protagonista, la produzione venne approvata.

Jessica Chastain si è preparata al ruolo incontrando astronauti e scienziati al Jet Propulsion Laboratory e allo Johnson Space Center, ispirandosi in particolare all'astronauta Tracy Caldwell Dyson.

L'associazione Media Action Network for Asian Americans criticò il casting di Mackenzie Davis e Chiwetel Ejiofor, accusando la produzione di whitewashing poiché nel romanzo i personaggi di Mindy Park e Vincent (Venkat) Kapoor erano descritti rispettivamente coreano-americano e indiano-americano; Weir replicò dicendo di non aver mai scritto descrizioni fisiche esplicite dei suoi personaggi.

L'attrice Naomi Scott fu scritturata e girò delle scene nel ruolo di Ryoko, un membro del team del JPL, ma tutte le sue scene furono tagliate dal montaggio finale.

Le riprese iniziarono nel novembre 2014 e durarono circa 70 giorni, con un budget di 108 milioni di dollari; le scene interne furono girate al Korda Studios di Etyek, in Ungheria, su uno dei più grandi teatri di posa del mondo, dove furono costruiti circa 20 set.

Per il film furono coltivate vere patate in un teatro di posa adiacente a quello delle riprese, piantate in momenti diversi per mostrare differenti stadi di crescita nelle scene.

Le scene esterne ambientate su Marte furono girate nel Wadi Rum, sito patrimonio UNESCO in Giordania, per otto giorni nel marzo 2015; un modello speciale di rover marziano costruito per il film fu poi donato alla Giordania ed è oggi esposto nel Royal Automobile Museum del paese.

Matt Damon e Ridley Scott si sono ispirati al documentario Touching the Void (2003), incentrato su alpinisti intrappolati, per rappresentare l'isolamento del protagonista.

Secondo Scott, il primo montaggio del film durava 2 ore e 45 minuti; una versione estesa con dieci minuti aggiuntivi fu poi pubblicata in home video.

La NASA collaborò attivamente alla produzione fornendo centinaia di immagini reali di Marte e dei centri di controllo, e rispondendo a domande tecniche sui generatori a radioisotopi e sull'aspetto degli habitat marziani tramite esperti come James L. Green e Dave Lavery.

Come parte della collaborazione con la NASA, la prima pagina della sceneggiatura del film fu inclusa nel carico della navicella Orion durante il test di volo Exploration Flight Test 1 del 5 dicembre 2014.

Un running gag del film è la passione del comandante Melissa Lewis per la musica disco degli anni '70, che risulta essere l'unica musica disponibile per Watney su Marte, nonostante egli la detesti; la colonna sonora include brani come Waterloo degli ABBA e I Will Survive di Gloria Gaynor durante i titoli di coda.

In onore del personaggio botanico di Mark Watney, una specie di pomodoro selvatico australiano è stata chiamata Solanum watneyi, appartenente allo stesso genere della patata.

Nel 2016 l'allora presidente statunitense Barack Obama ha indicato The Martian tra i migliori film di fantascienza mai visti.

Il regista Ridley Scott scelse di non rappresentare la ridotta gravità marziana (meno del 40% di quella terrestre), ritenendo che l'effetto delle pesanti tute spaziali sul protagonista compensasse visivamente questa scelta.

Secondo il direttore della Planetary Science Division della NASA James L. Green, il film è ragionevolmente realistico, ma la tempesta di sabbia che innesca la trama, pur raggiungendo velocità di 190 km/h, in realtà avrebbe una forza debole data la sottile atmosfera marziana; anche lo sceneggiatore Goddard ha ammesso che i venti sono stati esagerati per necessità narrative.