במאי 2019, נמסר כי רוברט פטינסון, ניקולס הולט, ארמי האמר ואהרון טיילור-ג'ונסון נמצאים ברשימה הקצרה להחלפת אפלק בגילום דמותו של באטמן, וכי המוביל בליהוק לתפקיד הוא פטינסון. ריבס החל לשקול את ליהוקו של פטינסון לתפקיד לאחר שראה את הופעתו בסרט "גוד טיים", אך לא היה בטוח שהלה יהיה מעוניין להצטרף להפקת הסרט. פטינסון נמנע מסרטי זיכיון גדולים מאז עבודתו על , מכיוון שמצא את התפקידים הללו משעממים והיה מעוניין להימנע מפפראצי. משמעות הדבר היא שהוא לא הופיע באף אחד מסרטי גיבורי-העל אולפני מארוול המתחרים, מה שהפך אותו לנחשק עבור אולפני האחים וורנר. מנגד, הולט הופיע בסרטי "אקס-מן", שהיו מבוססים על מארוול קומיקס, אך התקיימו בנפרד מהיקום הקולנועי של מארוול והולט עצמו לא היה ניתן לזיהוי תחת הפרוטזות והאיפור.
ריבס בילה שעות בסקירת סרטיהם הקודמים של פטינסון והולט לפני שנפגש איתם באפריל. ב-20 במאי 2019, נמסר כי השניים הם המתמודדים היחידים על התפקיד, וכי הם טסו לברבנק, קליפורניה, על מנת לעבור מבחן מסך. פטינסון לבש את חליפת העטלף של ואל קילמר מהסרט "באטמן לנצח" במהלך המבחן שלו, מה שהפך את האודישן למאתגר עבורו. ריבס, שהיו לו דרישות ספציפיות לתפקיד, בחר לבסוף בפטינסון, ונמסר רשמית על ליהוקו ב-31 במאי 2019, וכי על תפקיד זה הוא יזכה לשכר של 3 מיליון דולר. פטינסון מצא את דמותו של באטמן מרתקת במשך זמן רב, והוא הסכים לגלם את הדמות בשל אפיונו הריאלסטי וחוסר כוחות-העל שלו. לפטינסון היו גם רעיונות משלו כיצד להביא למסך תיאור ייחודי של הקשר בין פעילויותיו ההירואיות של באטמן לזהותו כוויין בהשוואה לעיבודים קולנועיים קודמים.
ליהוקו של פטינסון זכה לתגובה שלילית מפלח נכבד של מעריצי "באטמן", ואף נפתחה עצומה הקוראת לביטול ליהוקו לתפקיד. פטינסון הצהיר כי לדעתו התגובה הייתה פחות מזעזעת ממה שציפה לה. כריסטיאן בייל, שגילם את דמותו של באטמן בטרילוגיית "האביר האפל" (2005–2012), תמך בליהוקו של פטינסון לתפקיד, ועודד אותו "להפוך את [התפקיד] לשלו" ולהתעלם מהביקורות. בייל השווה את תגובת המעריצים לתגובת הנגד שחווה הית' לדג'ר כאשר לוהק לגילום דמותו של הג'וקר ב"האביר האפל". במטרה להתכונן לתפקיד, פטינסון למד את ההיסטוריה של באטמן, והחל לקרוא חוברות קומיקס החל מתור הזהב ועד לטייק של טום קינג על דמותו של באטמן, שפורסמה בשנים 2016–2019. בנוסף, פטינסון התאמן בג'יו ג'יטסו ברזילאי, מתוך רצונו לעבור שינוי פיזי עבור התפקיד. בנוסף, פטינסון קיבל עצות מבמאי טרילוגיית "האביר האפל", כריסטופר נולאן, בזמן שעבד איתו על הסרט "טנט".
בספטמבר 2019, נמסר על כניסתם של ג'פרי רייט למשא ומתן על גילום דמותו של ג'יימס גורדון, ושל ג'ונה היל לגילום דמותו של איש החידות או של הפינגווין. באוקטובר, נמסר רשמית על ליהוקו של רייט, והוא השחקן כהה-העור הראשון שמגלם את גורדון; בריאיון, רייט ציין שליהוקו לתפקיד משקף את רבגניותה של אמריקה מאז הופעתו של באטמן בחוברות הקומיקס בשנת 1939, והעיר שאף אחת מתכונותיו של גורדון אינה "דורשת שהוא יהיה לבן". כהכנה לתפקיד, קרא רייט את "ליל כל הקדושים הארוך". בהמשך החודש, נמסר כי היל עזב את המשא ומתן על השתתפות בסרט. לפי "וראייטי", היל היה מעוניין להרוויח 10 מיליון דולר – יותר מהסכום שפטינסון ירוויח – בעוד ש"הוליווד ריפורטר" דיווח כי נתגלעה מחלוקת בין "האחים וורנר" להיל על הדמות אותה הוא יגלם. לאחר עזיבתו של היל, נמסר כי פול דנו לוהק לדמותו של איש החידות. בנוסף, נמסר כי זואי קרביץ לוהקה לדמותה של קאטוומן בעקבות מבחן מסך עם פטינסון; קרביץ דיבבה בעבר את דמותה בסרט "לגו באטמן". ריבס שקל ללהק את קרביץ בשלב מוקדם בפיתוח הסרט, ובחר בה על פני שחקניות כמו אנה דה ארמס, אלה בלינסקה, איזה גונזלס, זאזי ביטס ואליסיה ויקנדר. קרביץ ציינה כי לתחושתה, כנותה מול ריבס מילאה תפקיד גדול בבחירתה לתפקיד, והסבירה שהיא רוצה שריבס ידע כיצד לעבוד מולה. קרביץ לקחה חלק פעיל בפיתוח את דמותה של קאטוומן, והחל להתאמן עם המדריך דייוויד היגינס חודשיים לפני צילומי הסרט. קרביץ גם בחנה צילומים של חתולים ואריות שנלחמים במטרה לפתח את תנועותיה תוך כדי תרגול עם רכז הפעלולים רוב אלונזו. בנוסף, קרביץ שאבה השראה מ"שנה ראשונה" ומדמותה של קאטוומן בגילומה של מישל פייפר בסרט "באטמן חוזר".
בנובמבר, נמסר על ליהוקם של אנדי סירקיס, קולין פארל וג'ון טורטורו לדמויותיהם של אלפרד פניוורת', הפינגווין וקרמיין פלקונה, בהתאמה. עבור פיתוח דמותו, פארל שאב השראה מדמותו של פרדו קורליאונה מהסרט "הסנדק" ועבד עם מאמנת הדיאלקט ג'סיקה דרייק כדי לפתח את קולו של הפינגווין. בהמשך נמסר על ליהוקם של ג'יימי לוסון לדמותה של פוליטיקאית המתמודדת על ראשות העיר ושל פיטר סארסגארד. במהלך הצילומים, נודע על ליהוקם של גיל פרז-אייברהם, התאומים צ'ארלי ומקס קארבר, ורופרט פנרי-ג'ונס, בעוד שנודע על ליהוקו של קון או'ניל לסרט רק לאחר סיום הצילומים. במהלך אירוע ה-"DC FanDome" הווירטואלי שנערך ביולי 2020, נודע על ליהוקו של בארי קיוגאן לדמותו של סטנלי מרקל, דמות משנית שהופיעה בעלילת הרומן הגרפי "שנה ראשונה"; עם זאת, בהמשך נטען על ידי "הוליווד ריפורטר" ליהוקו של קיוגאן לדמותו של סטנלי מרקל הוא וכי הוא לוהק למעשה לדמותו של הג'וקר; טענה זו אוששה עם עליית הסרט באקרנים.
עיצוב.
צוות העיצוב החל לעבוד על העיצובים עבור מערת העטלף, חליפתו של באטמן והבאטמוביל עוד לפני סיום התסריט, מכיוון שלריבס היה חזון ברור כיצד ייראה עולמו של באטמן ורצה ששלושת האלמנטים הללו ישקפו זה את זה. עבור הבאטמוביל, ריבס ראה בחזונו עיצוב רכב ריאלסטי ומקורקע שעוצב בעבודת יד, ובהתאם לכך המעצב אש ת'ורפ יצר את עיצוב הרכב כך שיהיה לו מנוע דמוי-עטלף. לשם כך, ריבס שאב השראה מרומן האימה של סטיבן קינג, "כריסטין", שיצא לאור בשנת 1983 ועוסק במכונית בעלת כוחות על-טבעיים. על פיקוח עיצוב התלבושות הייתה אמונה ג'קלין דוראן, וחליפתו של פטינסון עוצבה על ידי גלין דילון במשך שנה. ריבס רצה שהחליפה תהיה פרקטית ובמראה תהיה תחושה כאילו באטמן יצר אותה בעצמו. פטינסון מילא תפקיד גדול בשלבי עיצוב החליפה, שכן היה חשוב שיוכל לנוע ולהילחם בה. במהלך עיצוב החליפה, בייל ייעץ לפטינסון.
בסרט חליפת העטלף היא גם שריון גוף המסוגל לבלום ירי ישיר של אקדחים, תת-מקלעים ואף רובים. באטמן מצויד ברובה חבלים וסמל העטלף על החזה שלו הוא גם סכין. בנוסף באטמן מרכיב גם עדשות מגע המקליטות את כל מה שהוא רואה ובעלות יכולת זיהוי פנים.
עבור גילום דמותו של הפינגווין, פארל עטה פרוטזות וחליפת שומן שנוצרה על ידי אמן האיפור מייק מרינו. פארל בחר ללבוש חליפת שומן על פני עלייה במשקל מכיוון שסבל מבעיות בריאותיות כאשר עשה זאת עבור מיני-הסדרה "The North Water". פארל תואר כ"בלתי ניתן לזיהוי" תחת האיפור, עד כדי כך שרייט ופנרי-ג'ונס לא זיהו אותו על הסט.
תלבושתו של איש החידות התבססה על סקיצות של רוצח הזודיאק, ודנו כיסה את עצמו בניילון פלסטיק מכיוון שהרגיש שאיש החידות ינקוט באמצעי זהירות קיצוניים על מנת להימנע מהשארת DNA בזירות פשע. במהלך הצילומים, דנו החל להיות מודאג מהשפעת התלבושת עליו מאחר שראשו "פעם מחום... ונדחס מהזיעה והחום ומחוסר החמצן." תלבושתה של קאטוומן תוכננה כך שתהווה אב-טיפוס למה שיהפוך לתלבושתה המקורית, תוך מתן תחושה "פרקטית ככל האפשר".
צילומים.
צילומי הסרט החלו בינואר 2020 בלונדון, ועליהם היה אמון הצלם גרג פרייזר; שעבד בעבר עם ריבס. סצנות בית הקברות צולמו בנקרופוליס גלאזגו שבסקוטלנד באמצע פברואר, לפני שהצילומים עברו לליברפול במרץ. בניגוד לאולפני קולנוע אחרים, אולפני האחים וורנר לא היו מעוניינים להשבית את הצילומים חרף פרוץ מגפת הקורונה, אך נאלצו לעשות זאת בסופו של דבר ב-14 במרץ 2020, תוך הצהרה שההפסקה תימשך רק לשבועיים. עם זאת, ב-25 במרץ, הודיע ריבס כי הצילומים הושבתו לפרק זמן לא מוגדר.
בעקבות ההשבתה, הוערך כי הצילומים יתחדשו רק באמצע מאי, ובעקבות כך עלייתו של הסרט לאקרנים תידחה; בהמשך אכן נמסר כי תאריך עליית הסרט לאקרנים נדחתה ל-1 באוקטובר 2021. באפריל 2020, מאמן הדיאלקט של ההפקה, אנדרו ג'ק, מת כתוצאה מהמגפה. ריבס אמר שכרבע מצילומי הסרט הושלמו לפני ההשבתה, וכי הוא החל לעבור על החומר המצולם על מנת לעזור לתכנן את המשך הצילומים בפרודוקטיביות. עוד נמסר כי אין בכוונתו של ריבס לשכתב את התסריט, אך כי הוא ניצל את הזמן במטרה לחקור שוב את הטון של הסרט. ב-12 במאי 2020, ממשלת בריטניה אישרה להפקות סרטים בעלות תקציב גבוה לחדש את צילומיהם בהתאם לאמצעי בטיחות למניעת הידבקות במגפה שנאכפו על הסטים. חודש לאחר מכן, הפקת הסרט קיבלה אישור לחדש את צילומי הסרט ביולי 2020 לכל המוקדם.
באוגוסט 2020, נמסר כי הצילומים עתידים להתחדש בתחילת ספטמבר באולפני האחים וורנר, ליבסדן שבהרטפורדשייר, אנגליה. ב-3 בספטמבר, נמסר על חידוש הצילומים, שהושבתו שוב לאחר שפטינסון נמצא חיובי לקורונה. לאחר מכן, צוות הצילום נכנס להסגר של שבועיים, בעוד שבניית הסטים והאביזרים נמשכה. הצילומים התחדשו שוב ב-17 בספטמבר, לאחר שפטינסון קיבל אישור לחזור לסט. בשלב זה, היו לסרט כשלושה חודשי צילומים נוספים שהתעתדו להסתיים עד סוף שנת 2020. צילומי הסרט הוגבלו לאנגליה, ואנשי הצוות נדרשו לגור קרוב לאזור הצילומים ולא לעזוב עד לסיומם.