製作当時、ゴジラ作品は年少者向けの映画へ移行しつつあったが、本作品には人間の皮膚が焼けただれる描写や白骨化する描写などの残虐な演出も多く、劇中で主人公一家の青年・毛内行夫がヘドラに殺されるなど、物語や音楽も全体的に暗く重い。ゴジラをヒーローとして空を飛ばせるなど、観客である子供へのサービスも忘れてはいないが、ラストシーンではゴジラに人間に対して怒りの表情を持たせるなど、単なる勧善懲悪に終わらせていない。
随所のシーン転換に取り入れられているアニメーションについては、当初に坂野はつげ義春に依頼したが断られ、最終的には三菱未来館で球体スクリーンの映像を手がけた安井悦郎が担当した。
また、坂野は主題歌「かえせ! 太陽を」の作詞も手掛けているが、この歌の詩文は、当時アメリカの反公害運動のテキストだった『沈黙の春』（著：レイチェル・カーソン）からイメージをとったものだった。作曲を担当した眞鍋は、詞が良かったので苦労はなかったと述べている。
本作品の演出には、ルイス・ブニュエルやジャン＝リュック・ゴダールなどヨーロッパの映画作家たちのアバンギャルド作品の影響がみられ、本作品のファンである映画評論家・コラムニストの町山智浩にも指摘されている。
中野によれば、当時の映画館はアークライト方式の映写機を用いていたため映写技師の腕次第で映り方が変わってしまい、後年のHDリマスターにより自身や坂野が意図した色彩が再現されたと述べている。
ゴジラの飛行.
本作品では飛行形態となって逃げるヘドラをゴジラが追う際、「ゴジラが放射能火炎を放つ際の反動で後ろ向きに空を飛ぶ」というシーンが描かれて話題となったが、この「ゴジラの飛行」のために撮影スケジュールには支障が生じている。このシーンは、監督である坂野と特撮班のリーダーである中野が「テレビ時代のスピード感を」と提案して採り入れたものであるが、プロデューサーの田中は「設定を変えられては困る」と猛反発した。このシーンでの田中と坂野による論争を含め、低予算での制作体制が現場にさまざまな軋轢を生んだ。
田中は、坂野に本多猪四郎から教えを請うよう指示し、本多がラッシュを観ることとなった。本多は田中に特撮のロングショットを撮り足すよう助言し、坂野側が助力を得るかたちとなった。