作品中に登場する「大戸島」のシーンは三重県鳥羽市（当時は三重県志摩郡鳥羽町）の石鏡町（いじかちょう、当時は志摩郡鏡浦村石鏡地区）で撮影された。石鏡町は住民のほとんどが漁師や海女の仕事に従事する戸数200戸余り（当時）の小さな漁村であり、ゴジラの出現・フリゲート艦隊の航行・オキシジェン・デストロイヤーを使用するための潜水といったシーンの撮影がここで行われた。伊勢志摩は『伊勢志摩』（1949年、東宝教育映画）や『青い真珠』（1951年、東宝）の両作品で監督を務めた本多にとっては馴染みのあるロケ地だった。この本多班の撮影中、同じ鳥羽の神島では『栄光の影に』の製作が中止となった谷口千吉監督が『潮騒』を撮影していた。本作品の中では「島」とされているが、実際の石鏡町は島ではない。ただし、助監督として参加した梶田興治によると撮影当時の石鏡町周辺は幹線道路をはじめとする陸の交通網が未だ整備されておらず、鳥羽市から船で2時間もかけて撮影機材を運び込むような「陸の孤島」だった。この石鏡町でのロケでは「ゴジラが出た！」と半鐘が鳴り大戸島の島民らが逃げ惑うシーンで約300人の地元住民（当時の町の人口の約4分の1）が日当600円でエキストラとして起用され、普段の漁師や海女の服装のまま撮影に参加している。作品中でゴジラは大戸島に古くから言い伝わる伝説の巨大な海の怪物として描かれているが、石鏡町を含む志摩地方には「海には人を誘惑して海底へ引きずり込み人命を奪うトモカズキ、人の尻から生肝を抜き取る尻コボシなどの魔物が潜んでいる」という古くからの言い伝えがある。そのため、石鏡町の海女たちは2019年現在もこうした海の魔物を退散させるための魔除けとしてドーマン・セーマンの入った磯着や手拭・道具を身につけ、または携えて海に潜っている。このように石鏡町では昔ながらの古俗がよく残されており、住民らの魔除け信仰を示す「蘇民将来子孫家のお札」も町の随所に立てられている。石鏡町でのロケは過酷なものだった。町には平地がほとんどなく、海岸からいきなり山の斜面が続くリアス式海岸独特の起伏に富んだ地形であるためロケ隊は真夏の炎天下に重い撮影機材や荷物を持って急な坂の多い未舗装の山道を登り降りすることを強いられて、疲労のため日射病に罹る者が続出する事態となった。エキストラとして撮影に参加していた現地住民らはそれを見かねてロケ隊の荷物を持ったり撮影機材を運んだりして手助けしてくれたため、苦労していた俳優やスタッフは感激して住民らに深く感謝した。こうした光景を目にした監督の本多猪四郎は、「こんなに親切な人々が暮らす集落をゴジラが襲って破壊することにしているんですからね」と嘆いている。本作品で山根博士役を演じた志村喬もロケについて「石鏡の集落には旅館などの宿がないので、ぼくらは毎日、鳥羽から1時間半くらい海上保安庁の船に揺られて石鏡に通っているのですが、船酔いと日射病で毎日数名の女優さん方が倒れています。石鏡の港に船が着いたら、今度はそこから撮影場所の山頂まで急勾配の坂道を1時間くらい登っていかなくてはいけない。ようやく山頂にたどり着いた頃にはみんなヘトヘトでね、とても撮影どころじゃないです。なるほど、こんな秘境ならゴジラが出てきても何もおかしくはないなと妙に納得しましたよ」と語っている。石鏡ロケではゴジラが大戸島に上陸して姿を現し、それを目撃した島民と調査団一行が恐怖のあまり逃げ惑うというシーンの撮影がメインだったため、突如として巨大な怪物が目の前に出現したと想像した上で演技をしてもらう必要があった。そのため、エキストラとして参加した住民らにもゴジラとはいかなるものかについてスタッフが詳しく説明を行い「あそこの山の尾根の向こうから、ゴジラが顔をのぞかせるんです」と言っても、住民らはみんな「そんな馬鹿な」と笑うばかりで誰も話を信じてくれない。そこを何とか説得し、俳優・エキストラがひとしきり山道を駆け回って撮影を終えた。それでもやはり、年に1 - 2回、町の小学校の校庭で開かれる巡回映画会でしか映画に接したことがない住民らはどうしても納得がいかず「そのゴジラとやらはここにいないのに、どうして撮影することができるのか？」と助監督の梶田興治を質問攻めにしたため、返答に窮した梶田が困り果てるという一幕もあった。ゴジラを一度も見たことがなく、また実際には目の前にもいないためにそのイメージをよく掴みにくいことは、本作品に出演した俳優陣にとっても大きな問題だったと宝田明は語っている。作品の本編を担当するA班と特撮を担当するB班はそれぞれ別々に撮影を進めていたため宝田などA班に所属する俳優らは実物のゴジラを見たことがなく、彼らにとってもゴジラは謎の存在だった。そして、謎の存在のまま撮影はどんどん進行していく。目の前にいないゴジラを相手にしてリアリティのある演技をするため、宝田はゴジラの絵コンテを見てイメージを膨らませ、「ゴジラは東京駅前の丸ビルと同じくらいの高さだ」と聞かされたことからゴジラの顔はこの辺りかと想像しながら視線の位置を定めるといった試行錯誤を積み重ねた。宝田が初めて実物のゴジラと対面したとき、すでに撮影は後半に入っていたと言う。大戸島の神社での神楽のシーンは、鳥羽の賀多神社での神楽をそのまま撮影した。天狗の面や踊りの奉納などもすべて現地のもので、伊福部の作曲した神楽のみが架空のものである。大戸島の破壊された集落のシーンは世田谷区砧のオープンセットで撮影された。山根博士らの調査団を取り巻く村人は、50人余りの東宝の大部屋俳優らが演じている。石鏡町での撮影には合成シーンが多いため、円谷英二も立ち会った。ロケが行われてからちょうど60年が経過した2014年8月現在、石鏡町でゴジラとのつながりを示すものは鳥羽磯部漁業協同組合石鏡支所の事務所前に置かれているゴジラの顔出しパネルしかない。また、本作品でゴジラが巨大な足跡を残していった大木の浜（おおぎのはま）もロケ当時の姿とほとんど変わることなく海女たちの仕事の場となっている。主要襲撃地点は小笠原諸島の大戸島（架空の島）、東京特別区。2度目の襲撃時のルートは、芝浦岸壁 - 札の辻 - 田町駅前 - 新橋 - 銀座尾張町 - 銀座4丁目（松坂屋） - 数寄屋橋 - 国会議事堂 - 平河町 - 上野 - 浅草 - 隅田川 - 勝鬨橋 - 東京湾（ただし、上野から浅草を経て隅田川まで達する場面は劇中にはなく、テレビの実況アナウンサーの台詞で処理されている）。ゴジラが劇中で銀座和光ビルの時計塔を壊すシーンがあるが、梶田興治によると、和光本社はこれに激怒し、以後2年間ほどは東宝の一切のロケ使用を許可しなかったそうである。梶田によると映画を観た後、本当に銀座和光ビルが壊されたかどうか、確かめに来る人たちがいたという。また、ゴジラの白熱光で炎上する松坂屋の社長は、「縁起でもない」と怒り狂ったという。「キングコング対ゴジラ」のオーディオ・コメンタリーによればこの件でしばらく銀座出入り禁止になったらしい。大戸島の台風のシーンでは、本作のために作られた、トラックのエンジンにセスナのプロペラをつけた特製の大型扇風機が使われている。合成シーンで使われたオプチカル・プリンターは、円谷が戦前に自作した手動式のものだった。合成技師の向山宏によると、「旧式だが使いやすかった」という。ゴジラが初めて出現するシーンなどの合成は、カメラレンズに黒紙のマスクを張って現場でマスク処理する「生合成」だった。白黒映画で鮮明な画面となる「生合成」は、非常に熟練を必要とする、ベテランの向山ならではの技法であり、向山は一度フィルムが引っ掛かって失敗した以外、すべて成功させて見事な合成画面を実現させている。自衛隊、海上保安庁に対しては、担当各庁に脚本閲覧の元に全面協力を得たが、自衛隊が映画に協力したのは本作が初めてのことである。鳥羽ロケでは海上保安庁の「こうづ」「こたか」「愛知丸」の巡視船が撮影に協力している。この五ヶ所湾でのロケでは、海中撮影のために本職のサルベージ会社が協力したが、このサルベージ会社の係員がうっかり送気ポンプの操作を誤り、水中撮影中の逢沢譲カメラマンが窒息しかけるアクシデントがあった。この真夏の海上ロケで、巡視船の上で上半身裸で撮影に臨んでいた本多は、日焼けしすぎて背中に水ぶくれができてしまった。劇中、テレビ塔でゴジラの実況中継をするアナウンサー役の橘正晃は、汗に濡れた顔の表現をするために自らの発案でオリーブ・オイルを顔に塗り、目の前で火をたいて演技している。クライマックスで芹沢らが着る潜水服は、オレンジ色だった。真夏の8月の炎天下での撮影であり、芹沢博士、尾形役の平田・宝田両人は船上での演技のみであったため「まるで溶鉱炉の中にいるようでした」とコメントしている。宣伝部、営業部によって、製菓会社「森永製菓」、オートバイ会社「キャブトン」、電機会社「ユタカ電機製作所」、音響機器会社「オンキヨー」とのタイアップが行われた。社名や製品を作品内に登場させる見返りに、前売り券をさばいてもらった。ゴジラの死が明確に描写された作品は、本作と『ゴジラvsデストロイア』（1995年）の2作品のみである。また、人類自身の手でゴジラを葬り去ったのは本作だけである。ゴジラを倒す芹沢博士役の平田昭彦は『大怪獣バラン』ではバランを特殊火薬で倒した藤村博士、『ウルトラマン』ではウルトラマンでも倒せなかったゼットンを無重力爆弾で倒した岩本博士役と本作以降も怪獣を兵器で一撃で倒す役柄を演じている。のちに大橋史典はオリジナル怪獣『アゴン』を作った際、東宝から「ゴジラの盗作である」として訴えられた。しかし、本作の造形に携わっていたということで、これは取り下げられたそうである。本作は『原子怪獣現わる』(1953年)から強い影響を受けている。例えば、本作の制作段階の仮題『海底二万哩から来た大怪獣』は『原子怪獣現わる』の原題『The Beast from 20,000 Fathoms』と酷似している。また、「核実験で目覚めた怪獣(恐竜)が都市を襲撃するが、架空の兵器で倒される」大筋もよく似ている。