中條の自宅は、下北沢のハウススタジオ綿谷邸を用いている。映画やテレビドラマなどで多用されている場所のため、外に植木を設置したり、室内では象徴的な窓を本棚で隠すなどしている。
ハワイの米軍基地は、生田の川崎市上下水道局長沢浄水場を用いており、手塚の提案によりヤシの木を立ててハワイの雰囲気を出している。カロリン諸島のジャングルは、よこはま動物園ズーラシアの熱帯雨林エリアで撮影された。
前作で破壊され復興中という設定の品川の描写には、当時開発工事中であった横浜高速鉄道みなとみらい線新高島駅周辺の空撮が用いられた。
虎ノ門駅の入口部分は、前作に引き続き撮影に使用しているソニー厚木テクノロジーセンターの守衛所を、駅構内は北総鉄道矢切駅をそれぞれ用いて撮影している。
義人がバイクで走行する通路は、港北パーキングエリア下のトンネルを用いており、通風口や階段はセットを用いている。
モスラマークを描く小学校は、横浜市立子安小学校で撮影しており、俯瞰のシーンは隣接する高層マンションの最上階から撮影している。
首相官邸の執務室は、横浜港流通センターの会議室で撮影している。防衛庁前は、実際の通用門で撮影しており、秋葉の父と義人が会う部屋には東京ビッグサイトの小会議室が用いられた。
機龍から脱出した義人の空中でのシーンはブルーバックで撮影され、金子は床から伸びた金属棒に設置された脇から膝ぐらいまでのギプスのみで体を支えていた。シーンとしては数秒であったが、撮影は1日がかりで行われており、金子は体を支え続けるのに苦労した旨を語っている。脱出した義人と秋葉が乗るボートのシーンは、伊豆の海上で撮影された。
特撮.
本作品では、モスラの外見では合成が難しいため、極力合成を用いずに造形物の撮影で表現している。また、デイシーンは空気感などを表現することが難しいため、ナイトシーンが中心となった。撮影を担当した江口憲一は、合成を行う撮影では全部決められた動きをしなければならないが、撮り切りでは予測できない面白さがあったと述懐している。