真夏に行われた石鏡町でのロケは過酷なものだった。町には平地がほとんどなく、海岸からいきなり山の斜面が続くリアス式海岸独特の起伏に富んだ地形であるため、ロケ隊は真夏の炎天下に重い撮影機材や荷物を持って急坂の多い未舗装の山道を登り降りすることを強いられ、疲労によって日射病にかかる者が続出する事態となった。エキストラとして撮影に参加していた現地住民らはそれを見かねてロケ隊の荷物を持ったり撮影機材を運んだりして手助けしてくれたため、苦労していた俳優やスタッフは感激して住民らに深く感謝した。こうした光景を目にした監督の本多猪四郎は、「こんなに親切な人々が暮らす集落をゴジラが襲って破壊することにしているんですからね」と嘆いている。
冒頭の栄光丸や東京湾の遊覧船での甲板もセットである。
都内での民衆が逃げるシーンは、品川の八ツ山橋などで撮影された。
大戸島の台風のシーンでは、本作品のために作られた、トラックのエンジンにセスナのプロペラをつけた特製の大型扇風機が使われている。
本作品は合成シーンの多さやバリエーションの豊富さでも知られる。合成シーンで使われたオプチカル・プリンターは、円谷が戦前に自作した手動式のものだった。合成技師の向山宏によると、「旧式だが使いやすかった」という。ゴジラが初めて出現するシーンなどの合成は、カメラレンズに黒紙のマスクを張って現場でマスク処理する「生合成（生処理）」だった。白黒映画で鮮明な画面となる「生合成」は、非常に熟練を必要とする、ベテランの向山ならではの技法であり、向山は一度フィルムが引っ掛かって失敗した以外、すべて成功させて見事な合成画面を実現させている。
自衛隊や海上保安庁については、担当各庁に脚本を閲覧してもらったうえで全面協力を得たが、自衛隊が映画に協力したのは本作品が初めてのことである。特車隊の出動シーンは、宇都宮駐屯地で撮影が行われた。爆雷の投下シーンは、戦時中のニュースフィルムを用いている。