当初、大森のイメージキャストでは、権藤役に原田芳雄、黒木役に古尾谷雅人、白神博士役に仲代達矢と想定していた。最終的にはスケジュール優先での決定となったが、イメージと同様の本格的なキャスティングを目指し、高橋幸治や金田龍之介ら東宝特撮色の薄い豪華キャストとなった。特に高橋は怪獣映画への出演はこれまでなかったが、面白がって参加していたという。
レポーター役には室井滋が予定されていたがスケジュールが合わず、相楽晴子に改められた。
大阪のシーンでは、大森が主演映画を監督していたつながりから斉藤由貴が声のみカメオ出演している。ゴジラが大阪湾に出現した際には大阪城ホールにおける斉藤の「夢の中へ」のイントロが流され、それに続く大阪の人々が避難するシーンで権藤が「夢の中へ」の歌い出しを口ずさんでいる。セリフの録音も大森が行った。
超能力開発センターの子供の1人や芦ノ湖のエキストラとして、原作者の小林晋一郎の実子も出演している。
防衛庁の協力.
防衛庁が全面協力しており、東宝特撮史上最大規模の協力体制が敷かれた。富山によれば、広報担当が最初から好意的な対応であったといい、自衛隊を表にアピールしようという時期に合致したのであろうと述べている。
黒木をはじめとする「特殊戦略作戦室」と階級の「特佐」は現実の自衛隊には存在しないものであり、自衛隊の広報より「特殊戦略作戦室なんて組織はありません。特佐なんて階級もありません」と言われ、これを大森が「映画ですから」となだめ、自衛隊側は「今回だけですよ。次回からは自衛隊にある組織と階級で作ってください」と言われたという。ただし、これは結果的に成功した設定でもあり、作中で佐官の黒木が中心となってゴジラ攻撃の指揮を執ったり、自衛官の最上位である統幕議長の決定を独断で無視したりするシーンを「実際の自衛隊では絶対にありえないが、東宝の方で架空の設定を作って頂いて幸いだった」と防衛庁（当時）の広報官が語っている。
完成後には、撮影でも使用した陸上自衛隊富士学校で試写会を行っている。
撮影・演出.
首相官邸や国土庁の外観は、正式な許可を得ず、正面に停めた車両から隠し撮りしたものである。
脚本では太陽の塔の描写はなかったが、大阪らしさを象徴するカットとして追加された。