東宝特撮作品としては初めてハイビジョン合成を採用しており、コスモスの登場場面などに使用された。コスモスの撮影はすべて本編班で行われた。特技監督の川北紘一は、ハイビジョン撮影には専用の中継車などが必要で予算もかさむため、最小限の部分にしか用いなかったと証言している。
インファント島探検シーンのロケは亜熱帯広葉樹や木生シダの原生林が広がる奄美大島で行われ、地主の好意で地滑りのカットなどが撮影できたという。ただし吊り橋のカットは、福島県の飯坂の渓谷で撮影された。吊り橋には、蔦や丸太などの造形物で装飾している。吊り橋から落下するシーンは東宝スタジオの小プールで撮影され、崩れる吊り橋はミニチュアで表現している。
ゴジラが放射熱線を吐くシーンでは、本編班の大河原は人間側のリアクションのため、光のエフェクトを過剰気味に演出している。川北からは「オーバーじゃないか」と言われたが、大河原は成功したと自負している。また、本編と特撮パートが分離しないよう地球環境分析室の面々が怪獣たちの戦いをモニターで観ながら一喜一憂するという描写も取り入れた。一方で、クライマックスでは登場人物が戦いの傍観者になってしまったことを反省点に挙げており、次作『ゴジラvsメカゴジラ』では登場人物がメカゴジラのクルーとして乗り込む形となった。
ラストのモスラ着陸シーンの舞台は、脚本では大黒埠頭であったが、実際にモスラが留まれるような広い場所がなく、草のある場所ではコスモスの合成やセットが大変になるためコンクリートのある場所で再検討された。横浜スタジアムも候補にあがったが、モスラが羽根を立てなければならないため、近郊の飛行場が最終候補となったが羽田空港や成田空港では許可が下りず、立川飛行場（立川駐屯地）で撮影は行われた。
特撮.
前作では大森の要望により戦闘シーンは昼間が中心となったが、本作品では再び最終決戦がナイトシーンとなった。川北は、ナイトシーンの方がみなとみらいの街並みが映えるという考えであったと述べている。大森は、ゴジラはナイトシーンが似合うが、モスラ成虫は青空が似合うと考えており、この点が不満であったと語っている。