Il film è basato sul libro The Coming Global Superstorm di Art Bell e Whitley Strieber, e lo stesso Strieber ha scritto la novelizzazione del film.

Roland Emmerich scrisse una prima bozza della sceneggiatura e la mostrò al produttore Mark Gordon, che aveva già collaborato con lui in The Patriot; in seguito Jeffrey Nachmanoff intervenne per le riscritture.

Il 1º maggio 2002 la Creative Arts Agency organizzò un'asta inviando una copia della sceneggiatura a tutti i principali studi con un budget indicativo di 125 milioni di dollari; la Fox fu l'unico studio ad accettare i termini entro le 24 ore stabilite, aggiudicandosi il progetto il 3 maggio.

Le riprese si sono svolte principalmente a Montreal e Toronto, con alcune scene girate anche a New York City e a Chiyoda, Tokyo, per un periodo che va dal 7 novembre 2002 al 18 ottobre 2003.

Roland Emmerich pagò di tasca propria 200.000 dollari per rendere la produzione ecologica, compensando le emissioni di anidride carbonica generate dalla troupe piantando alberi e utilizzando fonti di energia alternative.

Il film conta 416 inquadrature con effetti visivi, realizzate da nove case di produzione (tra cui Industrial Light & Magic e Digital Domain) con il lavoro di oltre 1.000 artisti per più di un anno.

Per la distruzione di New York fu inizialmente considerato un set in miniatura, ma gli artisti optarono per un modello 3D di Manhattan di 13 isolati scansionato con tecnologia LIDAR, utilizzando oltre 50.000 fotografie scansionate per le texture degli edifici.

La scena dell'onda anomala richiese fino a tre fornitori di effetti speciali diversi, con l'acqua digitale creata da Digital Domain o dalla piccola casa Tweak Films secondo l'inquadratura, mentre per la scena sottomarina della petroliera russa che schiaccia un autobus furono usate miniature.

La sequenza iniziale sull'Antartide, della durata di circa due minuti e mezzo, fu interamente in CGI creata scansionando digitalmente modelli in miniatura di iceberg scolpiti in polistirolo, con i pezzi di ghiaccio che si staccano animati a mano; all'epoca era il piano sequenza interamente in CGI più lungo della storia del cinema, superando quello di Contact (1997).

Il doppiaggio giapponese del film presenta una canzone a tema esclusiva, "More Than a Million Miles", eseguita da una band che, per coincidenza, si chiama Day After Tomorrow.

Roland Emmerich non ha mai negato che il personaggio del vicepresidente, interpretato da Kenneth Welsh e somigliante a Dick Cheney, fosse pensato come una critica alla politica ambientale dell'amministrazione Bush.

Per vent'anni il film ha detenuto il record del miglior weekend d'apertura per un film catastrofico naturale, fino a essere superato nel 2024 da Twisters.