シリーズ最大の悪役(敵役)とされているキングギドラが初登場した作品でもある。タイトルの「三大怪獣」とは、地球の三大怪獣であるゴジラ・ラドン・モスラのことを指しており、宇宙超怪獣であるキングギドラのことは含まない。一応、防衛隊(自衛隊)は登場するものの、戦車や戦闘機などを使った作戦は実施していない。怪獣たちの最終決戦の場は前々作『キングコング対ゴジラ』でも採用された富士山麓周辺であり、輸出を意識したロケーションとなっている。このような「富士山を背景にしたクライマックスシーン」は次回作『怪獣大戦争』やさらに後年の『怪獣総進撃』でも見られ、いわゆる「お約束的な場面」を確立した。これについて撮影助手で参加していた川北紘一は、ビル街など建物がある場所よりも怪獣自体のキャラクター性を強調するためであったと推測している。ストーリー.スタッフ.製作.三大怪獣の話し合いについて、脚本では「悪を倒す会議」と表現しており、撮影の有川貞昌は国際会議が多かった当時の世相を反映したものと解釈している。怪獣の擬人表現について、『キングコング対ゴジラ』のころは抵抗のあるスタッフも多かったが、本作品のころには慣れていたという。本作品のストーリーは『ローマの休日』から強く影響を受けている。サルノ王女役の若林映子はラストシーンについて、監督の本多猪四郎から「『ローマの休日』を意識してやってごらん」と言われ、「私もヘップバーンが大好きで、このときは頭の中でイメージして演じていました」と述べている。主演の夏木陽介も、脚本を読んで『ローマの休日』のようだと感じたという。小泉博、星由里子、小杉義男など前作と似た役どころでの続投となった俳優が多い。当初、暗殺団首領役には土屋嘉男が予定されており、自ら衣裳のサングラスを捜し歩くなどしていたが、出演していた『赤ひげ』の撮影が終わらず、伊藤久哉が演じることとなった。キングギドラが逃走し、ゴジラとラドンがモスラを見送るというラストシーンは、シリーズの継続を示唆したものであった。特撮.本作品の特撮では、キングギドラの操演と合成が大きな見どころとなっている。