製作の富山省吾は、同年に公開されたアメリカ版『GODZILLA』を観て日本の怪獣映画とアメリカの巨大モンスター映画とのあり方の違いを実感し、本作品では日本独自の怪獣映画とする思いを強くしたことを述べている。一方で、監督の米田興弘は、前作が以前のゴジラシリーズと同様の怪獣対決を中心にした物語になってしまっていたことから、モスラ映画でしかできないことを考え、モスラとエリアスのキャラクター性を再検討していった。タイムスリップするという展開は、誰の助けも得られない場所へ自らの意思で向かうというモスラ自身の冒険とすることでモスラの勇気を描いており、人間がモンスターを倒す物語であった『GODZILLA』と異なり怪獣を主役とした作品であることを示している。また、白亜紀で怪獣と恐竜を対比させることによりその違いを明確化し、ゴジラを生物としてリアルに描いていた『GODZILLA』との差別化も意図している。当初、末谷は江戸時代へタイムスリップさせることを想定していたが、富山の要望により変更された。制作体制.音響面ではドルビーデジタル方式が標準使用され、東宝映画としては初めて日本国内のみでデジタル化作業が行われた。配役.園田家の両親役である大仁田厚と松田美由紀は米田の要望により起用された。大仁田は、肉体派で存在感のある父親像として起用されたが、大仁田自身はそれまで演じていなかったヒーロー性のない普通の父親役を楽しんでいたという。一方の松田は、母親役の経験が多いことから髪型など様々な提案を積極的に行っていたといい、米田は自身では考えつかない発想を与えてくれたことが嬉しかったと述べている。ラストシーンの「おかえり」というセリフも松田の案によるものであった。劇中に、主人公の祖父の肖像として田中友幸の写真が飾られている。監督の米田によれば、ロケ先の民家の遺影を映画のために外すのは失礼と考え、主人公の家族を見守ってほしいという願いを込めて田中の写真を並べて飾ったとのことである。撮影.冒頭のシーンでは、操演、作画、CG、グリーンバック合成、拡大セット、ミニチュアなど多数の技術が用いられており、米田は制作時点での合成技術の総決算と語っている。