Doveva essere realizzato prima Al servizio segreto di Sua Maestà dopo Thunderball, ma i produttori scelsero di adattare Si vive solo due volte perché il film precedente avrebbe richiesto location innevate difficili da trovare.

Il regista Lewis Gilbert rifiutò inizialmente l'incarico, ma accettò dopo che il produttore Albert R. Broccoli lo convinse dicendogli che non poteva rinunciare al pubblico più vasto del mondo.

Durante il sopralluogo in Giappone, la troupe (tra cui Broccoli, Saltzman e Ken Adam) doveva rientrare in Inghilterra con il volo BOAC 911 del 5 marzo 1966, ma rimandò la partenza per assistere a una dimostrazione di ninja: quel volo precipitò 25 minuti dopo il decollo, uccidendo tutti i passeggeri.

La sede segreta di SPECTRE fu spostata da una fortezza costiera a un vulcano spento dopo che la troupe scoprì che i giapponesi non costruiscono castelli sul mare.

L'attore Jan Werich fu inizialmente scritturato per interpretare Blofeld, ma una volta arrivato sul set di Pinewood i produttori lo trovarono poco minaccioso, somigliante a un Babbo Natale benevolo, e dopo alcuni giorni di riprese venne sostituito da Donald Pleasence.

Donald Pleasence sperimentò diverse idee per l'aspetto di Blofeld, tra cui una gobba, una zoppia, una barba e una mano storpia, prima di optare per la cicatrice sull'occhio, che gli risultava scomoda a causa della colla usata per applicarla.

Per il ruolo di Tiger Tanaka fu contattato Toshiro Mifune, ma l'attore era già impegnato nelle riprese di Grand Prix, così il ruolo andò a Tetsurō Tamba, già collaboratore del regista in un altro film.

Mie Hama, inizialmente scritturata come assistente di Tanaka, aveva difficoltà con l'inglese e i produttori volevano licenziarla; Tetsurō Tamba suggerì che si sarebbe suicidata se l'avessero fatto, così il suo ruolo fu scambiato con quello di Akiko Wakabayashi, passando a interpretare Kissy, una parte con meno dialoghi.

Durante le riprese delle scene con l'autogiro armato Little Nellie, il cameraman John Jordan perse un piede reciso dal rotore del velivolo a causa di una forte corrente d'aria discendente; il piede fu riattaccato chirurgicamente ma poi amputato a Londra, e Jordan continuò a lavorare per la serie di Bond con una protesi.

Le esplosioni finali previste per le riprese del vulcano non furono autorizzate dal governo giapponese in un parco nazionale, così la troupe si spostò a Torremolinos, in Spagna, un luogo che assomigliava al paesaggio giapponese.

Il set della base vulcanica di SPECTRE fu costruito interamente a Pinewood Studios a un costo di un milione di dollari, con una struttura alta 45 metri visibile da 5 chilometri di distanza.

La moglie di Sean Connery all'epoca, Diane Cilento, effettuò le scene di nuoto al posto di almeno cinque attrici giapponesi, tra cui Mie Hama.

Il brano principale fu inizialmente offerto a Frank Sinatra, che rifiutò, per poi essere cantato da sua figlia Nancy Sinatra, che durante le registrazioni era molto nervosa e disse di sentirsi a volte come se cantasse con la voce di Minnie Mouse; la versione finale utilizzò 25 diverse registrazioni.

Una versione diversa della canzone del titolo fu originariamente registrata da Julie Rogers ma scartata, mentre un'altra versione cantata da Lorraine Chandler, scoperta negli archivi RCA negli anni '90, divenne popolare nella scena Northern Soul.

Le due Toyota 2000GT Cabriolet usate nel film furono costruite appositamente in soli due esemplari, poiché Sean Connery, per via della sua altezza, aveva difficoltà a muoversi nella versione Coupé originariamente prevista; la capote ripiegata visibile nel film era in realtà finta.

Fu il primo film di Bond a registrare un calo di incassi al botteghino rispetto al precedente, principalmente a causa della saturazione del genere spionistico, inclusa una concorrente versione di Casino Royale prodotta dalla Columbia Pictures nello stesso anno.