Il ruolo principale femminile fu proposto inizialmente a Natalie Portman, che rifiutò la parte; venne poi considerata Rooney Mara prima che la scelta cadesse definitivamente su Mila Kunis.

Tra gli attori considerati per il progetto figuravano anche Joseph Gordon-Levitt e Andy Zelary, ma nessuno dei due entrò infine nel cast.

Il regista Terry Gilliam appare in un cameo come il Ministro del Sigillo e della Firma, un ruolo che richiama il suo film del 1985 Brazil.

Il progetto nacque nel 2009 quando il presidente della Warner Bros. Jeff Robinov chiese alle Wachowski di creare una proprietà intellettuale originale; la storia si ispira in parte all'Odissea, libro preferito di Lana Wachowski, e a Il mago di Oz.

Le riprese principali iniziarono il 2 aprile 2013 ai Warner Bros. Studios di Leavesden con un budget iniziale di 130 milioni di dollari, per poi spostarsi alla Cattedrale di Ely e infine a Chicago; alcune riprese aggiuntive si svolsero a Bilbao, in Spagna, nel maggio successivo.

Channing Tatum ha descritto le riprese come 'un incubo dall'inizio', durate sette mesi di duro lavoro per tutto il cast.

Una sequenza di inseguimento di otto minuti nel centro di Chicago, soprannominata dalla troupe 'Fifty-Two Part', fu la scena più lunga e complessa dal punto di vista degli stunt dello script, e richiese a Kunis e Tatum di girare ogni giorno per sei mesi.

Per le scene di volo con gli stivali antigravità, il supervisore agli effetti visivi Dan Glass ideò un sistema con stuntman reali invece di controfigure digitali, usando una rig di sei telecamere montata su un elicottero chiamata 'Panocam' che copriva quasi 180 gradi d'azione, permettendo in post-produzione di creare una telecamera virtuale indipendente dal percorso di volo reale.

Su suggerimento del co-regista di Cloud Atlas Tom Tykwer, le Wachowski adottarono per la prima volta l'approccio di registrare la colonna sonora di Michael Giacchino prima di completare le riprese, un metodo che dichiararono di voler riutilizzare in futuro.

La colonna sonora del film ispirò il danzatore Kyle Davis a creare per il Pacific Northwest Ballet un balletto intitolato 'A Dark and Lonely Space', debuttato il 2 novembre 2018 con 24 danzatori che rappresentano pianeti e corpi celesti.

Eddie Redmayne, che lo stesso anno vinse l'Oscar per La teoria del tutto, fu duramente criticato per la sua interpretazione sopra le righe nel film e vinse il Razzie Award come peggior attore non protagonista; in un'intervista del 2018 ammise egli stesso di aver dato 'una pessima interpretazione'.

A causa di test screening negativi nell'aprile 2014 e della necessità di completare oltre 2000 inquadrature di effetti speciali, l'uscita del film fu posticipata dal luglio 2014 al febbraio 2015, facendo salire il budget finale da 130 a oltre 210 milioni di dollari.