ארונופסקי החל בפיתוח של סרטים אחרים, אך התקשה לזנוח את "המעיין" אליו חש קרוב מבחינה יצירתית. ללא סטודיו ושחקן, הוא החליט לכתוב גרסה "ללא תקציב" לסרט בהתבסס על ניסיון ההפקה הקודם שלו עם סרטים בעלי תקציב נמוך. בנוסף, הוא הוציא רומן גרפי בעל אותו השם. בפברואר 2004 החליטו בחברת האחים וורנר לחדש את הפרויקט והחלו במגעים עם השחקן יו ג'קמן בהחלפת פיט בתפקיד הראשי. הסרט קיבל אור ירוק נוסף עם תקציב של 30 מיליון דולר, שניתן בחלקו בשל הסכמתו של הבמאי לוותר על חלקים בתסריט שהיו יקרים מדי להפקה. באוגוסט הצטרפה לפרויקט רייצ'ל וייס שמילאה את מקומה של בלאנשט. הצילומים נמשכו 60 ימים בתחילת שנת 2005 והתקיימו בעיקר באולפנים במונטריאול.
ליהוק.
ארונופסקי ראה את יו ג'קמן מבצע את תפקיד פיטר אלן במחזמר הברודוויי "הנער מאוז" והתרשם מביצועיו. הבמאי נפגש עם השחקן, שחיפש באותה התקופה אחר "תפקיד שיכול להראות ממדים רבים", וליהק אותו לתפקיד הראשי בסרט. ג'קמן כיכב קודם לכן בתפקיד דמותו השרירית של וולברין בסדרת הסרטים אקס-מן ועבור "המעיין" הוא נדרש לאמץ מבנה גוף דומה: הוא תרגל טאי צ'י במשך שבעה חודשים עבור הצגת גופו למשך חצי דקה על המרקע ויוגה במשך יותר משנה על מנת להציג את תנוחת הלוטוס המופיעה בסצנות בחלל. עבור אותן סצנות בהן הוא נראה מרחף באוויר הושקע ג'קמן בבריכת שחייה ונקשר לרתמות שסובבו אותו 360 מעלות על מנת שבגדיו ייראו כמרחפים מעליו בחופשיות.
בתהליך למידת התסריט צפה ג'קמן בניתוח הסרת גידול סרטני של אישה שסבלה מסרטן המוח, ונחרד לגלות דמיון בינה ובין אשתו: על מנת לגלם את שלוש הדמויות של הסרט תרגל השחקן יציבה שונה עבור כל דמות; עבור הקונקיסטאדור היה ג'קמן זקוף ושעון קדימה כדי לדמות טבע בלתי-ניתן לעצירה. עבור המדען היה ג'קמן רכון קדימה כמתמקד בעבודתו, משווה לדמות אופי של איש "הנושא את העולם על כתפיו". עבור דמות הנוסע בחלל ג'קמן למד את עקרונות ההתנהלות לפי הזן בודהיזם.
ג'קמן הציע לארונופסקי ללהק את רייצ'ל וייס לתפקיד האישה הראשי. הבמאי, אשר היה במערכת יחסים עם השחקנית, חשש להראות למנהלי האולפנים סימנים לפיהם הוא מעדיף אותה על פני אופציות ליהוק אחרות. עם המלצתו של ג'קמן הוחלט לבסוף ללהק את וייס לגילום דמויותיהם של איזי ואיזבלה. עבור התפקיד שלה קראה וייס אודות מחלות סופניות ונפגשה עם אנשים הסובלים ממחלות כאלו. השחקנית גם ביקרה במוסדות רפואיים בהם שהו אנשים צעירים הנוטים למות ונמצאים תחת טיפול פליאטיבי. על הקושי בתקופה זו אמרה וייס: "היו כמה ימים בהם הייתי במצב בו יכולתי לומר 'אני מוכנה לעזוב עכשיו'."
בסרט משחקים גם אלן בורסטין בתור ד"ר ליליאן גוזטי, המעסיקה של טומי הנוירולוג, ומארק מרגוליס בתור הכומר אווילה המתלווה למסעו של תומאס הקונקיסטאדור. בורשטיין ומרגוליס הופיעו בסרטו של ארונופסקי רקוויאם לחלום, ואת התפקידים ב"המעיין" כתב ארונופסקי עבורם. שון פטריק תומאס, דונה מרפי, ואית'ן סופלי לוהקו לתפקידי עוזרי המעבדה של טומי. קליף קרטיס לוהק לתפקיד קפטן אריאל, קונקיסטאדור נוסף, וסטיבן מק'האטי לוהק לתפקיד האינקוויזיטור סילסיו; קנאי דתי המאיים על כס המלכה הספרדית. שבעים ניצבים לוהקו כלוחמי המאיה, עשרים מתוכם בעלי רקע גואטמלי וצאצאי המאיה. אחד מתוך העשרים היה מנהיג רוחני בפועל, והוא לוהק לתפקיד כהן המאיה בסרט.
עיצוב.
הסט בו צולם הסרט נבנה על ידי מעצב ההפקה ג'יימס צ'ינלונג וצוותו באולפן במונטריאול, להוציא את הסצנות שצולמו במוזיאון ובחווה. הסט כלל את הג'ונגל בו צולמו סצנות המאה ה-16 ואת החללית דמוית הבועה והעץ הענק שבתוכה. החללית הוצבה אל מול מסך ירוק והצוות תלה חומרים צבעוניים מחזירי אור בצבעים ירוק, שחור, זהב וכסף, אשר נעו בשלושה מסלולים מעגליים מסביב לסט. החומרים הופרדו במחיצות ואור הוקרן על החומרים השונים בהתאם לצבע המבוקש. צבע כסף שימש עבור הסצנות בהן החללית עברה בין הכוכבים, וצבע זהב שימש בסצנות בהן נכנסה החללית אל תוך הערפילית.
ב"המעיין" עץ החיים הוא אלמנט עיצובי מרכזי בכל אחת משלוש התקופות המוצגות בסרט. העץ מבוסס על מושג הספירות בקבלה המסמלות כוחות שונים של האלוהות. עץ הספירות, אשר לפי הפולקלור גובהו מאתיים עד שלוש מאות מטר, היה צריך לעבור עיצוב מחודש על מנת להיכנס לפריים מצלמת הקולנוע. חתיכות של סחף וענפים מעצים אמיתיים נאספו באזור הצילומים בקנדה על מנת לבנות את ענפיו ושורשיו של העץ, ותבניות מתכת הוכנו מהן על מנת לבנות את גוף העץ. לדבריו של ג'יימס צ'ינלונג, תהליך בניית העץ עצמו, שהיה חלק מסט עצום המוקף במסכים ירוקים, לווה בבעיות לוגיסטיות משמעותיות בשל התקציב הנמוך שניתן לפרויקט בפעם השנייה שאושר (תקציב שהיה נמוך בחצי מזה המקורי). תכנון הסט של העץ עצמו היה שיתוף פעולה בין צ'ינלונג לבין ארונופסקי יחד עם צלם הסרט מתיו ליבטיק. השלושה שיתפו פעולה בעיצוב על מנת ליצור את הסט הרצוי, ובמיוחד על מנת לתכנן את המרווח היחסי שבינו לבין דפנות החללית הנושאת את האסטרונאוט. ארונופסקי תיאר את התקופה בה מתרחשת עלילת האסטרונאוט כמחווה אומנותית לשירו של דייוויד בואי "Space Oddity" ("תעלומה בחלל"), ושמו של האסטרונאוט הוא 'טום' בדומה לאסטרונאוט האבוד בחלל המתואר בשיר. ההשראה לעיצוב החללית בה נוסע האסטרונאוט עם העץ בחלל נבעה ממחקר שערך השותף לכתיבת התסריט, ארי הנדל, על ביוספירות שונות כגון המבנה "ביוספרה 2" שבאריזונה. בהתייחסו לכך שהחללית מעוצבת כעשויה מזכוכית אמר ארונופסקי: "אין שום סיבה שחללית תהיה בנויה כמו משאית ענקית בחלל".
ארונופסקי וצלם הסרט מתיו ליבטיק החליטו להשתמש בפלטת צבעים מוגבלת עבור הסרט, גישה אומנותית שהחלה כבר בסרטיו הקודמים של ארונופסקי אשר גם אותם צילם ליבטיק. ב"המעיין", הצבעים העיקריים הם זהב ולבן. צבע הזהב "מסמל את שבט המאיה, מעין זהב של שוטים, אמת שהיא שקר"; ארונופסקי הסביר את הבחירה: "כאשר אתה רואה זהב, הוא מייצג חומרנות ועושר וכל אותם דברים המסיחים את דעתנו מן המסע האמיתי בו אנחנו נמצאים." לבן נבחר על מנת לייצג תמותה ואמת. דמותה של איזי היא לבנה, והיא לובשת לבן או מוקפת בלבן על מנת להעצים את הצגתה בהקשר זה. צבעים משניים הם ירוק, המייצג את החיים, ואדום, המייצג מוות.
במאי הסרט השתמש גם במבנים גאומטריים זהים על מנת להבדיל בין שלוש העלילות, והצורות מהוות מוטיב חוזר ויזואלי בכל אחת מהן מבחינת קומפוזיציה ואלמנטים ויזואליים נוספים; סיפורו של הקונקיסטאדור בן המאה ה-16 משקף צורות של משולש דרך פירמידות וקונסטלציות משולשות. סיפורו של המדען בן המאה ה-21 משקף מלבנים כדלתות, חלונות ומסכי מחשב. סיפור מסעו המהורהר של האסטרונאוט בן המאה ה-26 משקף מעגלים באמצעות החללית וגופים שמימיים הנעים דרך קבע מסביבה.
צילום ואפקטים.
"המעיין" צולם על ידי מתיו ליבטיק, שעובד עם ארונופסקי מאז שנות ה-90, והוא התכונן במשך יותר משנה לצילומי הסרט כאשר ארונופסקי ניסה להפיק את הסרט בפעם הראשונה. ארונופסקי תכנן את צילומי הסרט כך שתגולם בהם הצגה עוצמתית של המעברים התמתיים מחושך לאור. המעבר מחושך לאור נעשה בצורה הדרגתית לאורך הסרט; בתחילתו מוצגת דמותו של ג'קמן כצללית עמומה וככל שסיפור העלילה מתבהר היא הופכת מוארת יותר ויותר. בינתיים, דמותה של וייס שטופת אור לאורך כל העלילה. בתחילה חשב ארונופסקי להראות רק את הצללית של דמות הגבר עד למערכה השנייה מתוך השלוש של הסרט, אך לבסוף החליט לוותר על הרעיון הקיצוני על מנת להיות יותר נגיש לקהל הצופים. ליבטיק תיאר את השינוי המטאפורי של התאורה בדמותו של ג'קמן: "אנו עוקבים אחר קשת דמותו של תומאס ככל שהוא מתקרב אל עבר האמת."
ארונופסקי התכוון להשתמש רק במצלמה אחת לצילומי "המעיין" היכן שניתן, והשתמש במצלמה נוספת רק כאשר הסצנה הייתה מבוססת על התפאורה ויכולה הייתה להצטלם באופן כזה שיהיה ברור שמדובר בכיוונים שונים לחלוטין. ליבטיק אמר שארונופסקי העדיף התאמת כיווני מבט: "דארן הוא מעריץ של כיווני מבט, ואם אתה מוותר על כיוון מבט בזווית הצילום הוא מרגיש שזה מבטל את השוט וההופעה". במקור התכוון ארונופסקי שדמותו של ג'קמן תנוע כל הזמן באופן "לא טבעי" מבחינה קולנועית - משמאל לימין לאורך הפריים - אך התכנון הפך מסובך עקב הצורך של האסטרונאוט לנוע באופן תמידי מעלה כלפי מקור האור.
כאשר חודשה הפקת "המעיין" בשנת 2005 הייתה גישה מוּדעת יותר לצילומים מבחינת תקציב, שכן הוא קוצץ בכמחצית ומרביתו היה מיועד במקור לטובת אפקטים מיוחדים. כאשר הפקת הסרט התחדשה בתקציב נמוך יותר, חש ליבטיק שתכנון מוּדע יותר של התקציב יביא דווקא לסרט טוב יותר:
על מנת ליצור את סצנת מותו של הקונקיסטאדור, שאב ארונופסקי את מיתוס המאיה המתאר את ההתרחשות בעת מותו של לוחם אמיץ: לפי המיתוס, המוות מלווה בפרפרים ופרחים הבוקעים מתוך גופותיהם של הלוחמים. ארונופסקי הוציא את הפרפרים מסצנת המוות על מנת לצמצם את השימוש בהדמיית מחשב אך השאיר את אפקט הפרחים המתפרצים מתוך הגופה.
ג'רמי דוסון ודן שרקר, אשר עשו את האפקטים המיוחדים עבור סרטיו הקודמים של ארונופסקי "פאי" ו"רקוויאם לחלום", חזרו לעבוד עמו על האפקטים עבור "המעיין". לזוג ניתנה המשימה להשתמש באפקטים ממוחשבים מעט ככל הניתן, משימה קשה בהתחשב בכך ששליש הסרט מתרחש בחלל החיצון. דוסון אמר: .