בתחילת פברואר 2020, נמסר כי הבמאי סם ריימי נכנס למשא ומתן על בימוי הסרט, באותה תקופה, נמסר גם כי צ'יווטל אג'יופור עתיד לשוב לגלם את דמותו של קארל מורדו, וכי מקאדמס, בניגוד אליו, לא תיקח חלק בהפקת הסרט.במקביל, נמסר כי תסריטאי העונה הראשונה של "לוקי", מייקל ולדרון, נשכר לשכתב את התסריט עבור הסרט. מספר שבועות לאחר מכן, אושר כי הסרט יבוים על ידי ריימי. ריימי לא שש לביים סרט גיבורי-על נוסף הקשור למארוול קומיקס לאחר כישלונו של "ספיידרמן 3", תוך תחושה שהוא זקוק להפסקה מסוגה זו, אך קיבל את התפקיד בעקבות האתגר להעביר את הפקת הסרט ל"פעילות מיידית" ומכיוון שהצהיר על עצמו כמעריץ של דוקטור סטריינג' ושל עבודתו של דריקסון בסרט הראשון. ריימי הסתקרן ללמוד כיצד תהליך הפקת סרטים עתירי תקציב השתנה מאז בימוי סרטו הקודם, "ארץ אוז", וחשף שהיה עליו ללמוד להכיר את קווי העלילה והדמויות של היקום הקולנועי עבור הפקת הסרט. עבור כתיבת התסריט, ולדרון בחר להגות את העלילה בשיתוף פעולה עם ריימי מאפס, במקום להשתמש בבסיס שפיתח דריקסון עם ברטלט. עבור התסריט, ולדרון השתמש בניסיונו מעבודתו על "ריק ומורטי", שעזרה לו "להציג את מושגי המדע-בדיוני בדרכים הניתנות לעיכול, טעימים לקהל ומבלי להסתבך בפרטים המשעממים", ועל "לוקי", בה הוא נאלץ לתכנן סצנות פעולה בפירוט. בנוסף, ולדרון צפה בטרילוגיית "ספיידרמן" של ריימי, על מנת שיוכל "לזהות את חוזקותיו" ואת מה שהוא מצטיין בו ולהכניס את האלמנטים הללו לתסריט. מנהל ההפקה והפיתוח של אולפני מארוול, ריצ'י פאלמר, אמר כי עבודתו של ולדרון על "לוקי", שבה הוא חקר את הרב-יקום והציג את קונספט של דמויות שונות, אפשרה לאולפני מארוול "לספר סיפור טוב" מבלי צורך להסביר מחדש את הרעיונות הללו עבור קהל הצופים. ריימי ציין שאחרי שב"" דמויות מיקומים אחרים נכנסו ליקום הקולנועי, בסרט הדמויות מהיקום הקולנועי הן אלו שנכנסות ליקומים אחרים וחוקרים אותם, תוך בחינת עד כמה הן דומים ליקום המוכר להם או לא. על אף שחשף שעלילת הסרט תתרחב בהיקפה מבחינת העיסוק ביקומים מרובים, ולדרון הבטיח שהסרט ירגיש מאוד "אישי", וציין את ההזדמנות לאפשר לדמויות להתעמת עם יקומים אלטנטיביים ומשתנים חלופיים של עצמן ושל דמויות אחרות. לדבריו, הרב-יקום עיצב את "הלב הרגשי" של עלילת הסרט, והסביר כי נעשה בו שימוש כדי לחקור את הבחירות הנכונות או הלא-נכונות של הדמויות בין הגרסאות השונות שלהן בדרכים מרגשות ומורכבות-רגשית, במקום להשתמש ברב-יקום כמקגאפין עבור הסרט. ריימי גם שיבח את עבודתו של ולדרון על התסריט, והרגיש שהוא תרם רבות לתסריט, בשל "המודעות המוחלטת שלו להיסטוריה של מארוול" ו"הדמיון המדהים", וציין כי התסריט שלו התמקד באינטראקציות בין הדמויות, שמראות את מי שהם באמת ואת בעיותיהם האישיות. ריימי הצהיר שבתחילת הסרט, סטריינג' מתחיל כאדם שעלול להיות "מאוד בטוח בעצמו", שמאמין שהוא זה ש"הכי שולט בכל ההחלטות" ושיש לו חוסר אמון באחרים. ריימי הוסיף כי במהלך הסרט סטריינג' "לומד לשחרר קצת" ולהתחיל לסמוך על אחרים. ולדרון גם ציין את צמיחתו של סטריינג' כדמות ביקום הקולנועי, וציין כי בסרט זה "הוא בשיא כוחותיו". מפקח התסריט, ג'ו בקט, הצהיר שהסרט יהיה אפל באופייו. ולדרון תיאר את הסרט כשובו של ריימי לסוגת "סרטי גיבורי-העל האדירים" בשילוב עם כל היבט מסרטיו הקודמים.
ולדרון עבד בשיתוף פעולה הדוק עם אולסן והתסריטאית הראשי של "וונדה-ויז'ן", ג'ק שייפר, על מנת להמשיך את סיפורה של מקסימוף בסרט ולהבטיח שהמשך קורותיה יהיו המשך מספק לאירועי המיני-סדרה, בעוד שריימי גם צפה במיני-סדרה על מנת לוודא שהסרט ישמור על "דרכה וצמיחתה הדינמית" של מקסימוף. לאחר שהופעת האורח המתוכננת של קמברבאץ' בעלילת המיני-סדרה נחתכה בשלב מאוחר של פיתוחה, נדרשו שכתובים לתסריטו של הסרט, אותו תיאר פייגי כ"שילוב נפלא ומאוד מסור של קואורדינציה וכאוס". בין השינויים שנעשו, נכלל האופן שבו סטריינג' ומקסימוף נפגשים בסרט. על אף שהסרט מהווה המשך ל"וונדה-ויז'ן", עלילתו פותחה ונכתבה כך שיובן גם עבור צופים שלא צפו במיני-סדרה. בנוסף, הצוות ההפקה הקריאייטיבי צפה במקטעי קדם-הפקה של הסדרה המונפשת "מה אם...?", על מנת כדי ללמוד כיצד סטריינג' הוצג בה. עבור העקביות בתיאורו של ספר הדארקהולד, שהוצג לראשונה ב"וונדה-ויז'ן" (אך הוזכר בסדרה סוכני שילד בעונה הרביעית) אך זכה ליותר זמן מסך בסרט, מחלקת האביזרים של הסרט עיצבה את האביזר לעבור המיני-סדרה ולאחר מכן השתמשה מחדש באותו אביזר עבור הסרט.
בסוף מרץ, נודע כי עבודת קדם-ההפקה עבור הסרט מתבצעת מרחוק בעקבות מגפת הקורונה, וכי הצילומים עדיין מתעתדים להתקיים במאי 2020. בתחילת אפריל, נודע כי אולפני דיסני שינו את לוח הזמנים של חלק גדול מסרטי השלב הרביעי בעקבות המגפה, ודחו את תאריך עליית הסרט לאקרנים ל-5 בנובמבר 2021. בהמשך, תאריך עליית הסרט לאקרנים נדחה שוב ל-25 במרץ 2022, לאחר ש"סרטי סוני" קבעו כי הסרט "ספיידרמן: אין דרך הביתה" יעלה לאקרנים בנובמבר 2021. בשלהי יוני 2020, אישר אג'יופור את השתתפותו בסרט, לצד הודעה על דחיית צילומי הסרט בעקבות המגפה. בתחילת אוקטובר, קמברבאץ' אישר שעבודת קדם-ההפקה נמשכת וחשף כי הצילומים יתחילו בלונדון, אנגליה, עד שלהי החודש או בתחילת נובמבר. בשלהי אוקטובר, נמסר על ליהוקה של סוצ'י גומז לצוות השחקנים. אף על פי שהוכרז על הסגר לאומי באנגליה בין 5 בנובמבר ל-2 בדצמבר עקב העלייה בתחלואה, צילומי הסרט לא הושפעו. ב-10 בדצמבר 2020, פייגי אישר רשמית את ליהוקם של מקאדמס, אג'יופור, וונג וגומז, על ליהוקה של גומז, אמר פאלמר כי אולפני מארוול ניסו לשלב את הדמות ביקום הקולנועי במשך זמן רב, וחשף כי התכנון המקורי היה להציג את דמותה בסרט "". אחד מיוצרי דמותה של צ'אבז, ג'ו קייסי, לא קיבל תשלום עבור הופעתה של הדמות בסרט לאחר שדחה הצעת פיצוי ממארוול קומיקס, אותה הוא תיאר כ"זולה".העיכובים בהפקת הסרט בעקבות המגפה נתנו לוולדרון ולריימי יותר זמן לפתח את הסרט ולדחוף אותו ל"כיוונים קצת יותר מפחידים". לאחר מכן, הצהיר ריימי כי הוקל לו מהעיכובים במגפה, שגרמו לו להיות "מאוד נמהר ומלא פאניקה", שכן לוח הזמנים הקפדני לכתיבת התסריט חייב אותם לכתוב את התסריט לפני תחילת ההפקה. במהלך תקופה זו, ולדרון, פאלמר וצוות ההפקה עבדו יחד עם ריימי על מנת לעזור בשכתובים עבור התסריט.
צילומים.
צילומי הסרט החלו ב-4 בנובמבר 2020, בלונדון, ועליהם היה אמון הצלם ג'ון מתיסון, לאחר שבמקור עליהם היה אמון הצלם ירון אורבך. מתיסון צילם את הסרט עם מצלמות Panavision DXL2 IMAX. במקור, צילומי הסרט התעתדו להתחיל במאי 2020, אך נדחו בעקבות התפרצות מגפת הקורונה. ב-25 בנובמבר 2022, אולסן החלה לצלם את הסצנות בהשתתפותה, בשיטת צילום גב-אל-גב במקביל לצילומי "וונדה-ויז'ן", וציינה שעבורה למעבר בין הצילומים הייתה תחושה מוזרה. בתחילת דצמבר, הצילומים התקיימו באולפני לונגקרוס שבלונגקרוס, סארי, שם הסטים של מספר רחובות ניו יורקיים ושל הסנקטום סנקטורום נבנו על ידי מעצב ההפקה צ'ארלי וודס. בדצמבר 2020, קמברבאץ' החל לצלם את הסצנות בהשתתפותו, לאחר שסיים את צילומי "אין דרך הביתה" באטלנטה.
אולסן הספיקה לצלם את הסצנות בהשתתפותה במשך שלושה שבועות לפני שהממשלה הבריטית החמירה את ההגבלות לקראת סוף דצמבר והכריזה על סגר נוספת באנגליה החל מ-6 בינואר 2021. במרץ 2021, נודע כי צילומי הסרט התחדשו, לאחר שקמברבאץ' חשף את חידוש הצילומים, וכי אג'יופור החל לצלם את הסצנות בהשתתפותו. צילומי הסרט התקיימו בין היתר בחניון ברומפילד היל שבריצ'מונד פארק ובכנסיית הבונים החופשיים שבמרכז לונדון. ב-15 באפריל, פייגי הצהיר כי הפקת סרט נמצאת בשבוע האחרון לצילומיה, בחוות סיידר בורו היל בסאמרסט. על פי הדיווחים, נמסר כי על הסט נצפו ג'ט קליין וג'וליאן היליארד, שגילמו את בניה התאומים של מקסימוף, טומי ובילי במיני-הסדרה "וונדה-ויזן", ודבר השתתפותם אושר רשמית באפריל 2022. צילומים נוספים התקיימו גם בניו יורק סיטי, בלוס אנג'לס ובוונקובר. הפקת הסרט הצליחה דחיות ועיכובים הקשורים למגפת הקורונה כאשר הצילומים חודשו בתחילת 2021, אם כי קמברבאץ' נאלץ להשהות את הצילומים באופן זמני לאחר ששהה בקרבה לחבר בצוות ההפקה שקיבל תוצאה חיובית כוזבת.
רבים מהשחקנים, כולל אולסן, קמברבאץ', ו-וונג, הביעו את התרגשותם מהעבודה המשותפת עם ריימי. עבור צילומי הסרט, הבמאי השתמש בטכניקות המצלמה המועדפות עליו, כולל שימוש במצלמה ובפרספקטיבה על מנת ליצור תחושת חרדה בקרב הצופים. על הסט, ריימי עודד את השחקנים לאלתר, והוסיף כי כל אחד מצוות השחקנים היה יכול להתאים אישית את האינטראקציות שלהם בשל היכרותם העמוקה עם דמויותיהם, וכי התסריט השתנה לעיתים קרובות לפני תחילת הצילומים. ריימי חשף שנעשה שימוש בהרבה "ויזואליות ממדית" במהלך הצילומים עבור עלילת הסרט. קמברבאץ' ציין כי לתחושתו לצילומי הסרט היו אופי שיתופי ומכיל יותר מאשר לצילומי הסרטים הקודמים ביקום הקולנועי בהם הוא הופיע. אולסן הוסיפה שהסרט משרה "אווירה של מופע אימה", תיארה אותו כ"מטורף", והשוותה אותו לסרטי "מוות אכזרי" של ריימי, והוסיפה שריימי ניסה ליצור את "הסרט המפחיד ביותר של מארוול", וליצור "כמה שיותר מתח עבור הצופים". קמברבאץ' חשף כי סוף העלילה היה "באוויר" כשהחלו הצילומים, וכי לקח זמן עד שהוחלט על הסוף שיקשר בין "המסעות של כולם" בסרט.
גמר-הפקה.